ES2735723T3 - Multilevel Power Converter - Google Patents

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Abstract

Convertidor multinivel que incluye al menos un brazo (B) formado por varias etapas (Et1, Et2,...., Etn) de rango uno a n (n entero superior a uno) montadas en cascada, estando destinada la etapa (Et1) de rango 1 a conectarse a una fuente de corriente (I) y estando destinada la etapa (Etn) de rango n a conectarse a una fuente de tensión (VCC), caracterizado porque la etapa (Et1) de rango uno incluye una única estructura (Ce10) de conmutación de cuatro niveles de tensión y una etapa de rango i (i comprendido entre dos y n) incluye i estructuras (Cei1, Cei2, ...Ceii) de conmutación de cuatro niveles de tensión idénticas montadas en serie, incluyendo cada una de estas estructuras de conmutación una célula (T1, T2, T1', T2', C12) de tipo de condensador flotante de tres niveles de tensión que comprende un cuarteto de interruptores (T1, T2, T1', T2') elementales en serie que poseen un nodo (S) medio, dos células (T3u, T3'u ;T3l, T3'l) de base formadas cada una por un par de interruptores (T3u, T3'u ;T3l, T3'l) elementales en serie presentan dos bornes (N6, N7 ; N8, N9) extremos y un punto medio y un puente (C9, C10, C11) divisor capacitivo que tiene dos extremos formado por un triplete de dispositivos (C9, C10, C11) de almacenamiento de energía montados en serie entre los que los dos dispositivos (C9, C11) de almacenamiento de energía están en posición extrema, conectándose cada dispositivo (C9, C11) de almacenamiento de energía en posición extrema a los bornes (N6, N9) extremos de una célula de conmutación de base diferente, conectándose un punto medio de cada célula de conmutación de base a un extremo diferente del cuarteto de interruptores (T1, T2, T1', T2') elementales, conectándose el nodo medio de cada célula de tipo de condensador flotante de la etapa de rango i a un extremo del puente divisor capacitivo de una estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión de la etapa de rango i-1.Multilevel converter that includes at least one arm (B) formed by several stages (Et1, Et2, ...., Etn) of rank one to n (integer greater than one) mounted in cascade, the stage (Et1) of rank 1 to be connected to a current source (I) and the stage (Etn) of rank n being destined to be connected to a voltage source (VCC), characterized in that stage (Et1) of rank one includes a single structure (Ce10) switchgear of four voltage levels and a stage of range i (i comprised between two and n) includes i structures (Cei1, Cei2, ... Ceii) for switching four identical voltage levels mounted in series, including each of these switching structures a cell (T1, T2, T1 ', T2', C12) of the floating capacitor type with three voltage levels comprising a quartet of elementary switches (T1, T2, T1 ', T2') in series possessing a middle node (S), two base cells (T3u, T3'u; T3l, T3'l) each formed by a pair of switches (T3u , T3'u; T3l, T3'l) elementary series have two terminals (N6, N7; N8, N9) ends and a midpoint and bridge (C9, C10, C11) capacitive divider that has two ends formed by a triplet of energy storage devices (C9, C10, C11) mounted in series between which the two energy storage devices (C9, C11) are in extreme position, each energy storage device (C9, C11) in extreme position being connected to the end terminals (N6, N9) of a different base switching cell, connecting a midpoint of each base switching cell to a different end of the quartet of elementary switches (T1, T2, T1 ', T2'), with the mid-node of each floating capacitor-type cell of range stage i connecting to one end of the capacitive divider bridge of a four-voltage level switching structure of the range stage i-1.

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Convertidor de potencia multinivelMultilevel Power Converter

Campo técnicoTechnical field

La presente invención se refiere a los convertidores de potencia multinivel más particularmente destinados a funcionar en el campo de la media tensión.The present invention relates to multilevel power converters more particularly intended to operate in the medium voltage field.

Estado de la técnica anteriorPrior art

Los convertidores de potencia de media tensión conocidos utilizan en general interruptores de semiconductores en serie para permitir una elevación de la tensión. La dificultad principal de la puesta en serie de estos interruptores de semiconductores es obtener unas tensiones idénticas en los bornes de todos estos interruptores de semiconductores en cada instante. Si aparecen unas sobrecargas transitorias o permanentes, puede producirse la destrucción de los interruptores de semiconductores.Known medium voltage power converters generally use semiconductor switches in series to allow a voltage rise. The main difficulty of serializing these semiconductor switches is to obtain identical voltages at the terminals of all these semiconductor switches at every moment. If transient or permanent overloads appear, the destruction of semiconductor switches may occur.

Se han desarrollado técnicas basadas en el entrelazado de las órdenes de los interruptores asociados a la utilización de transformadores, permitiendo gestionar el reparto de las tensiones y reconstituir las formas de onda. Pero los transformadores tienen un coste no despreciable e impiden la realización de convertidores compactos.Techniques have been developed based on the interlocking of the orders of the switches associated with the use of transformers, allowing to manage the distribution of the voltages and reconstitute the waveforms. But the transformers have a non-negligible cost and prevent the realization of compact converters.

Otra solución surge, se trata de células de tipo NPC (por neutral point clamped o fijación por neutro) con dos pares de interruptores de semiconductores en serie, dos diodos en serie conectados por un lado al punto común entre los dos interruptores del primer par y por otro al punto común entre los dos interruptores del segundo par. Se encuentra además, una serie de dos condensadores conectados a los bornes del conjunto formado por los pares de interruptores de semiconductores. El punto común entre los dos diodos en serie se conecta al punto común entre los dos condensadores de la serie.Another solution arises, it is NPC type cells (by neutral point clamped or neutral fixation) with two pairs of semiconductor switches in series, two diodes in series connected on one side to the common point between the two switches of the first pair and on the other to the common point between the two switches of the second pair. There is also a series of two capacitors connected to the terminals of the assembly formed by the pairs of semiconductor switches. The common point between the two diodes in series is connected to the common point between the two capacitors in the series.

Este tipo de célula conduce a una forma de onda satisfactoria y a una reducción de las restricciones de tensión sobre los interruptores de semiconductores. Por el contrario, pueden producirse desequilibrios de la tensión en los bornes de los condensadores.This type of cell leads to a satisfactory waveform and a reduction in voltage restrictions on semiconductor switches. On the contrary, voltage imbalances in the capacitor terminals can occur.

Se presentan mejoras de la topología original NPC, sustituyendo los dos diodos por un par de interruptores de semiconductores. Esta topología se denomina ANPC de 3 niveles de tensión.There are improvements to the original NPC topology, replacing the two diodes with a pair of semiconductor switches. This topology is called ANPC of 3 voltage levels.

Para aumentar aún más el nivel de tensión aceptable, se ha propuesto poner más interruptores en serie y añadir condensadores, lo que conduce a la topología denominada ANPC de 5 niveles de tensión. Las células de tipo ANPC de 5 niveles de tensión están actualmente limitadas a unos niveles de tensión del orden de 6,9 kV, lo que no es claramente suficiente.To further increase the acceptable voltage level, it has been proposed to put more switches in series and add capacitors, which leads to the topology called ANPC of 5 voltage levels. The 5-voltage ANPC type cells are currently limited to voltage levels of the order of 6.9 kV, which is clearly not enough.

Se conocen también unos convertidores multinivel moduladores (MMC por modular multilevel converter) en los que cada brazo a montar en los bornes de una fuente de tensión de continua incluye dos conjuntos en serie, teniendo un borne común a unir a una fuente de corriente alterna. Cada conjunto incluye varios módulos, formado cada uno por al menos dos interruptores elementales en serie y un condensador conectado en paralelo con ellos. Se realiza una conexión entre el punto común para los dos interruptores elementales de un módulo y un extremo de la serie de interruptores elementales del módulo vecino. En función del estado conductor o bloqueado de los interruptores elementales del módulo, el condensador está en cortocircuito o en el circuito. Los condensadores tienen el mismo valor y una tensión soportada idéntica igual a la relación entre la tensión continua aplicada a un brazo dividida por el número de módulos del brazo. El valor de los condensadores depende de la frecuencia de la señal de salida del lado de alterna en el caso de un funcionamiento como ondulador o de la señal de entrada en el caso de un funcionamiento como rectificador. Su tensión soportada está limitada a lo que permite limitar las sobretensiones generadas por sus inductancias parásitas. En el caso de un variador de velocidad, la frecuencia de alimentación del motor varía de cero al valor nominal, lo que hace que no sea posible evitar un condensador de valor razonable. Se ha propuesto también realizar unas células de tipo de condensador flotante, conocidas igualmente bajo la denominación de células elementales imbricadas. Una célula así de tipo de condensador flotante permite unir una fuente de tensión a una fuente de corriente asociando un número cualquiera de células elementales en serie. Cada célula elemental incluye dos interruptores de semiconductor en serie y un condensador que conecta entre ellas dos células elementales vecinas a la manera de una escala. Esta solución presenta sin embargo inconvenientes vinculados a la presencia del condensador flotante entre dos células elementales. Cuanto más aumenta el número de células elementales, más aumenta el sobrecoste vinculado a los condensadores y mayor es la cantidad de energía almacenada en estos condensadores. Los condensadores tienen el mismo valor, pero sus tensiones soportadas son diferentes, la tensión soportada aumenta con el rango de la célula elemental, vale kE/n siendo k el rango de la célula elemental, siendo n el número total de células elementales y E la tensión aplicada en la entrada de la célula elemental de rango uno. El valor de los condensadores está vinculado esencialmente a la frecuencia de corte. El tamaño de los condensadores es tanto mayor cuanto más elevada sea su tensión soportada. Esto es lo mismo para la inductancia parásita que poseen. Estas inductancias parásitas están en el origen de sobretensiones de conmutación, las sobretensiones más elevadas aparecerán por tanto sobre las células elementales de rango elevado.Modular multilevel converters (MMC for modular multilevel converter) are also known in which each arm to be mounted on the terminals of a DC voltage source includes two sets in series, having a common terminal to be connected to an alternating current source. Each set includes several modules, each consisting of at least two elementary switches in series and a capacitor connected in parallel with them. A connection is made between the common point for the two elementary switches of a module and one end of the series of elementary switches of the neighboring module. Depending on the conductive or blocked state of the elementary switches of the module, the capacitor is shorted or in the circuit. The capacitors have the same value and an identical supported voltage equal to the ratio between the continuous voltage applied to an arm divided by the number of modules in the arm. The value of the capacitors depends on the frequency of the output signal on the alternating side in the case of an operation as an inverter or the input signal in the case of an operation as a rectifier. Its supported voltage is limited to what limits the overvoltages generated by its parasitic inductances. In the case of a variable speed drive, the motor supply frequency varies from zero to the nominal value, which makes it impossible to avoid a reasonable value capacitor. It has also been proposed to make floating condenser type cells, also known under the name of embedded elementary cells. Such a floating capacitor type cell allows a voltage source to be linked to a current source by associating any number of elementary cells in series. Each elementary cell includes two semiconductor switches in series and a capacitor that connects two neighboring elementary cells to each other in the manner of a scale. However, this solution has drawbacks linked to the presence of the floating condenser between two elementary cells. The more the number of elementary cells increases, the more the extra cost linked to the capacitors increases and the greater the amount of energy stored in these capacitors. The capacitors have the same value, but their supported voltages are different, the supported voltage increases with the range of the elementary cell, it is worth kE / n being k the range of the elementary cell, where n is the total number of elementary cells and E the voltage applied to the input of the elementary cell of rank one. The value of the capacitors is essentially linked to the cutoff frequency. The size of the capacitors is all the greater the higher its supported voltage. This is the same for the parasitic inductance they possess. These parasitic inductances are at the origin of switching overvoltages, the highest overvoltages will therefore appear on the elementary range cells high.

En los artículos [1], [2] cuyas referencias se encuentran al final de la descripción, se ha propuesto una célula de tres interruptores de semiconductores en serie que permiten obtener 4 niveles de tensión incluyendo una célula de tipo condensador flotante. Sin embargo está actualmente limitada, con los interruptores de semiconductores existentes, a unos niveles de tensión del orden de 6,6 kV lo que no es suficiente en ciertas aplicaciones, no correspondiendo este nivel más que a una fracción del intervalo útil de la media tensión. El número de niveles de tensión actúa sobre la resistencia con el tiempo de los aislamientos del motor que estará alimentado por la célula. Cuanto más pequeño es el número de niveles de tensión, más reducida es la duración de vida útil de los aislantes. Están sometidos a unos escalones de tensión de gran amplitud.In articles [1], [2] whose references are at the end of the description, a cell of three semiconductor switches in series has been proposed that allow 4 voltage levels to be obtained including a floating capacitor type cell. However, it is currently limited, with existing semiconductor switches, to voltage levels of the order of 6.6 kV which is not sufficient in certain applications, this level not corresponding to more than a fraction of the useful range of the medium voltage . The number of voltage levels acts on the resistance over time of the motor insulation that will be fed by the cell. The smaller the number of voltage levels, the shorter the lifetime of the insulators. They are subject to high-voltage tension steps.

Exposición de la invenciónExhibition of the invention

La presente invención tiene por objeto proponer un convertidor multinivel que pueda trabajar con unos niveles de tensión superiores a los de la técnica anterior, sin tener necesidad de recurrir a los transformadores, ni de multiplicar el número de interruptores de semiconductores puestos en serie.The present invention aims to propose a multilevel converter that can work with voltage levels higher than those of the prior art, without having to resort to transformers, or multiply the number of semiconductor switches put in series.

Otro objetivo de la invención es proponer un convertidor multinivel que sea menos caro y más fiable que los convertidores multinivel de la técnica anterior, para un nivel de tensión dado.Another object of the invention is to propose a multilevel converter that is less expensive and more reliable than prior art multilevel converters, for a given voltage level.

También otro objeto de la invención es proponer un convertidor multinivel que utilice unos conjuntos de condensadores estándar de tensión soportada limitada.Another object of the invention is also to propose a multilevel converter that uses a set of standard capacitors with limited supported voltage.

Un objeto suplementario de la invención es proponer un convertidor multinivel que limite la aparición de inductancias parásitas y su influencia.A supplementary object of the invention is to propose a multilevel converter that limits the appearance of parasitic inductances and their influence.

Para lograrlo la presente invención propone realizar un convertidor multinivel que incluye al menos un brazo formado por varias etapas de rango uno a n (n entero superior a uno) montadas en cascada, estando destinada la etapa de rango 1 a conectarse a una fuente de corriente y estando destinada la etapa de rango n a conectarse a una fuente de tensión. La etapa de rango uno incluye una única estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión. Una etapa de rango i (i comprendido entre dos y n) incluye i estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión idénticas montadas en serie. Cada una de estas estructuras de conmutación incluye una célula de tipo de condensador flotante de tres niveles de tensión que comprende un cuarteto de interruptores elementales en serie que poseen un nodo medio, presentando dos células de base formadas cada una por un par de interruptores elementales en serie dos bornes extremos y un punto medio y un puente divisor capacitivo que tiene dos extremos que incluyen un triplete de dispositivos de almacenamiento de energía montados en serie entre los que los dos dispositivos de almacenamiento de energía están en posiciones extremas. Cada dispositivo de almacenamiento de energía en posición extrema se conecta a los bornes extremos de una célula de conmutación de base diferente, se conecta un punto medio de cada célula de conmutación de base a un extremo diferente del cuarteto de interruptores elementales. El nodo medio de cada célula de tipo de condensador flotante de la etapa de rango i se conecta a un extremo del puente divisor capacitivo de una estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión de la etapa de rango i-1.To achieve this, the present invention proposes to realize a multilevel converter that includes at least one arm formed by several stages of range one an (n integer greater than one) mounted in cascade, the stage of stage 1 being destined to be connected to a current source and the range stage being intended to be connected to a voltage source. The stage one stage includes a single switching structure of four voltage levels. A stage of range i (i between two and n) includes switching structures of four identical voltage levels mounted in series. Each of these switching structures includes a three-level floating capacitor type cell comprising a quartet of elementary switches in series having a middle node, presenting two base cells each formed by a pair of elementary switches in series two end terminals and a midpoint and a capacitive divider bridge that has two ends that include a triplet of energy storage devices mounted in series between which the two energy storage devices are in extreme positions. Each energy storage device in the extreme position is connected to the end terminals of a different base switching cell, a midpoint of each base switching cell is connected to a different end of the elementary switch quartet. The middle node of each floating capacitor type cell of the range stage i is connected to one end of the capacitive divider bridge of a four voltage level switching structure of the range stage i-1.

El convertidor así definido permite alcanzar un nivel de tensión del orden de 13,8 kV con interruptores de tensión soportada limitada (6,5 kV) disponibles actualmente, limitando el número de etapas a dos y por tanto utilizando solamente seis interruptores elementales en serie.The converter thus defined allows to reach a voltage level of the order of 13.8 kV with currently available limited supported voltage switches (6.5 kV), limiting the number of stages to two and therefore using only six elementary switches in series.

Para equilibrar en tensión las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión, los dispositivos de almacenamiento de energía de un mismo puente divisor capacitivo tienen una misma capacidad de almacenamiento de energía y una misma tensión soportada.To balance the four voltage level switching structures in tension, the energy storage devices of the same capacitive divider bridge have the same energy storage capacity and the same supported voltage.

Para respetar las reglas de conexión entre fuente de tensión y fuente de corriente, el nodo medio de al menos una célula de tipo de condensador flotante de la etapa de rango i se conecta a un extremo del puente divisor capacitivo de la etapa de rango i-1 a través de una inductancia.To respect the connection rules between the voltage source and the current source, the middle node of at least one floating capacitor type cell of the range stage i is connected to one end of the capacitive divider bridge of the range stage i- 1 through an inductance.

Cuando varias inductancias conectan la etapa de rango i a la etapa de rango i-1, estas inductancias tienen un mismo valor.When several inductances connect the stage of rank i to the stage of range i-1, these inductances have the same value.

Los dos pares de interruptores elementales de las dos células de conmutación de base de una misma etapa poseen una misma función de conmutación.The two pairs of elementary switches of the two base switching cells of the same stage have the same switching function.

En funcionamiento, los interruptores elementales de un mismo par siempre están en estados complementarios salvo por el valor del tiempo muerto.In operation, the elementary switches of the same pair are always in complementary states except for the value of the dead time.

En el cuarteto de interruptores elementales de una célula de tipo de condensador flotante, dos están en posición extrema y dos están en posición media, los dos interruptores elementales en posición extrema están siempre en estados complementarios y los dos interruptores elementales en posición mediana están siempre en estados complementarios, siendo uno conductor y estando el otro bloqueado. In the quartet of elementary switches of a floating capacitor type cell, two are in the extreme position and two are in the middle position, the two elementary switches in the extreme position are always in complementary states and the two elementary switches in the medium position are always in complementary states, being one conductor and the other being blocked.

Los interruptores elementales incluyen cada uno un conmutador electrónico de potencia controlable asociado con un diodo conectado en anti-paralelo.The elementary switches each include a controllable power electronic switch associated with a diode connected in anti-parallel.

Los dispositivos de almacenamiento de energía se eligen entre un condensador, una batería, una pila de combustible.Energy storage devices are chosen from a capacitor, a battery, a fuel cell.

La presente invención se refiere igualmente a un variador de velocidad que incluye una cascada con un convertidor así caracterizado funcionando como rectificador CA/CC y un convertidor así caracterizado funcionando como ondulador CC/CA, conectados entre sí por sus lados de continua por medio de una fuente de tensión.The present invention also relates to a speed variator that includes a cascade with a converter thus characterized by operating as an AC / DC rectifier and a converter thus characterized by operating as a DC / AC inverter, connected to each other by its continuous sides by means of a voltage source.

Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings

La presente invención se comprenderá mejor con la lectura de la descripción de ejemplos de realización dados a título puramente indicativo y en ningún caso limitativo haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que:The present invention will be better understood by reading the description of exemplary embodiments given for purely indicative purposes and in no case limiting by referring to the accompanying drawings in which:

- la figura 1A ilustra, de manera muy esquemática, un brazo de convertidor multinivel objeto de la invención con n etapas montadas en cascada, la figura 1B es un convertidor multinivel monofásico que incluye dos brazos similares a los de la figura 1A;- Figure 1A illustrates, in a very schematic manner, a multi-level converter arm object of the invention with n cascade-mounted stages, Figure 1B is a single-phase multi-level converter that includes two arms similar to those of Figure 1A;

- la figura 2 muestra unas estructuras de conmutación de 4 niveles de tensión del convertidor multinivel objeto de la invención;- Figure 2 shows switching structures of 4 voltage levels of the multilevel converter object of the invention;

- la figura 3A muestra un brazo de un convertidor objeto de la invención de dos etapas en un funcionamiento como ondulador y la figura 3B muestra un brazo de un convertidor objeto de la invención de dos etapas en un funcionamiento como rectificador;- Figure 3A shows an arm of a converter object of the invention of two stages in an operation as an inverter and Figure 3B shows an arm of a converter object of the invention of two stages in an operation as a rectifier;

- las figuras 4.1 a 4.13 ilustran unos cronogramas de la señal de consigna Vref (Fig. 4.1), de las portadoras utilizadas con la tensión de consigna Vref para el control de los interruptores elementales de la estructura de conmutación de 4 niveles de tensiones de la figura 2: K1, K1' (Fig. 4.2), K2, K2' (Fig. 4.3), K3u, K3'u, K3l, K3'l (Fig. 4.4), unas señales de control de los interruptores elementales de la estructura de conmutación de 4 niveles de tensión de la figura 2: K1 (Fig. 4.5), K1' (Fig. 4.6), K2 (Fig. 4.7), K2' (Fig. 4.8), K3u (Fig. 4.9), K3'u (Fig. 4.10), K3l (Fig. 4.11), K3'l (Fig. 4.12), de la tensión de salida Vs de la estructura de conmutación de 4 niveles de tensión (Fig. 4.13), en un funcionamiento de conversión CC/CA;- Figures 4.1 to 4.13 illustrate chronograms of the Vref setpoint signal (Fig. 4.1), of the carriers used with the setpoint voltage Vref for the control of the elementary switches of the 4 voltage level switching structure of the Figure 2: K1, K1 '(Fig. 4.2), K2, K2' (Fig. 4.3), K3u, K3'u, K3l, K3'l (Fig. 4.4), control signals of the elementary switches of the 4 voltage level switching structure of Figure 2: K1 (Fig. 4.5), K1 '(Fig. 4.6), K2 (Fig. 4.7), K2' (Fig. 4.8), K3u (Fig. 4.9), K3'u (Fig. 4.10), K3l (Fig. 4.11), K3'l (Fig. 4.12), of the output voltage Vs of the switching structure of 4 voltage levels (Fig. 4.13), in one operation DC / AC conversion;

- las figuras 5.1 a 5.14 ilustran unos cronogramas de la señal de consigna Vref (Fig. 5.1), de las portadoras utilizadas con la tensión de consigna Vref para el control de los interruptores elementales del brazo del convertidor multinivel de la figura 3A: T1, T1' (Fig. 5.2), T2, T2' (Fig. 5.3), T3u, T3'u, T3l, T3'l (Fig. 5.4), T4u, T4'u, T4l, T4'l (Fig. 5.5), T5u, T5'u, T5l, T5'l (Fig. 5.6), T6u, T6'u, T6l, T6'l, T7u, T7'u, T7l, T7'l (Fig. 5.7), unas funciones de conmutación utilizadas para el control de los interruptores elementales del brazo del convertidor multinivel de la figura 3A: F10 (Fig. 5.8), F20 (Fig.5.9), F30 (Fig. 5.10), F40 (Fig. 5.11), F50 (Fig. 5.12), F60 (Fig.5.13), de la tensión de salida Vs del brazo del convertidor multinivel de la figura 3A (Fig. 5.14) en un funcionamiento de conversión CC/CA;- Figures 5.1 to 5.14 illustrate schedules of the Vref setpoint signal (Fig. 5.1), of the carriers used with the setpoint voltage Vref for the control of the elementary switches of the arm of the multilevel converter of Figure 3A: T1, T1 '(Fig. 5.2), T2, T2' (Fig. 5.3), T3u, T3'u, T3l, T3'l (Fig. 5.4), T4u, T4'u, T4l, T4'l (Fig. 5.5 ), T5u, T5'u, T5l, T5'l (Fig. 5.6), T6u, T6'u, T6l, T6'l, T7u, T7'u, T7l, T7'l (Fig. 5.7), some functions used to control the elementary switches of the arm of the multilevel converter of Figure 3A: F10 (Fig. 5.8), F20 (Fig. 5.9), F30 (Fig. 5.10), F40 (Fig. 5.11), F50 ( Fig. 5.12), F60 (Fig. 5.13), of the output voltage Vs of the multilevel converter arm of Fig. 3A (Fig. 5.14) in a DC / AC conversion operation;

- la figura 6 ilustra un ejemplo de variador de velocidad que asocia dos convertidores multinivel objeto de la invención, funcionando uno como rectificador y el otro como ondulador.- Figure 6 illustrates an example of a speed variator that associates two multilevel converters object of the invention, one working as a rectifier and the other as an inverter.

Exposición detallada de modos de realización particularesDetailed exposition of particular embodiments

Se hace referencia a la figura 1A que muestra un esquema eléctrico de un brazo B de un convertidor multinivel objeto de la invención, en una estructura general. Permite trabajar con unas tensiones en el campo de la media tensión hasta aproximadamente 13,8 kV mientras que la tensión soportada de los interruptores de semiconductores existentes actualmente está limitada a 6,5 kV.Reference is made to Figure 1A which shows an electrical scheme of an arm B of a multilevel converter object of the invention, in a general structure. It allows working with voltages in the medium voltage field up to approximately 13.8 kV while the supported voltage of existing semiconductor switches is currently limited to 6.5 kV.

Se va a describir en un primer momento en un ejemplo de un brazo de convertidor CC/CA.It will first be described in an example of a DC / AC converter arm.

El convertidor multinivel objeto de la invención, como el que se ilustra en la figura 1B, incluye uno o varios brazos B similares al representado en la figura 1A. Están destinados a ramificarse cada uno de entre dos mismas fuentes de alimentación eléctrica, entre ellas una fuente de tensión VCC y una fuente de corriente I. Dos brazos se utilizan en un convertidor monofásico. Se utilizarían tres brazos en un convertidor trifásico.The multilevel converter object of the invention, such as that illustrated in Figure 1B, includes one or more arms B similar to that shown in Figure 1A. They are intended to branch each of two same power supplies, including a VCC voltage source and a current source I. Two arms are used in a single phase converter. Three arms would be used in a three-phase converter.

El brazo B de la figura 1A está destinado a conectarse entre la fuente de tensión VCC y la fuente de corriente I. El convertidor puede funcionar entonces como convertidor CC/CA (ondulador) o bien como convertidor CA/CC (rectificador). En el caso de un convertidor CC/CA, la fuente de corriente es alterna y puede ser por ejemplo un motor eléctrico, por ejemplo, y la fuente de tensión es continua y puede ser por ejemplo un bus de corriente continua ramificado a la salida de un rectificador.The arm B of Figure 1A is intended to be connected between the VCC voltage source and the current source I. The converter can then function as a DC / AC converter (inverter) or as an AC / DC converter (rectifier). In the case of a DC / AC converter, the current source is alternating and can be for example an electric motor, for example, and the voltage source is continuous and can be for example a branched direct current bus at the output of a rectifier

En el caso de un convertidor CA/CC, la fuente de corriente es alterna y puede ser, por ejemplo, la red de alimentación y la fuente de tensión es continua y puede ser, por ejemplo, un condensador o una batería.In the case of an AC / DC converter, the current source is alternating and can be, for example, the power supply and the voltage source is continuous and can be, for example, a capacitor or a battery.

El brazo B del convertidor incluye n etapas Et1, Et2,_Eti, ....Etn conectadas en conjunto en cascada. n es un número entero superior o igual a dos. La primera etapa Et1 o etapa de salida, en la aplicación de ondulador, está destinada a ser ramificada a la fuente de corriente I. Se representa formada por una resistencia R y una inductancia L en serie en la figura 3A. The arm B of the converter includes n stages Et1, Et2, _Eti, .... Etn connected together in cascade. n is an integer greater than or equal to two. The first stage Et1 or output stage, in the inverter application, is intended to be branched to the current source I. It is represented by a resistor R and an inductance L in series in Figure 3A.

La etapa de rango n Etn o etapa de entrada, en la aplicación de ondulador, está destinada a ser ramificada a la fuente de tensión VCC.The range stage n Etn or input stage, in the inverter application, is intended to be branched to the voltage source VCC.

En una configuración de convertidor CA/CC, la primera etapa Et1 o etapa de entrada se ramificaría a una fuente de corriente y la etapa de rango n Etn o etapa de entrada se ramificaría a una fuente de tensión. La entrada y la salida del convertidor se invierten cuando se pasa del funcionamiento como ondulador al funcionamiento como rectificador y viceversa.In an AC / DC converter configuration, the first stage Et1 or input stage would branch to a current source and the range stage n Etn or input stage would branch to a voltage source. The input and output of the converter are reversed when it is switched from operation as an inverter to operation as a rectifier and vice versa.

La descripción que sigue se basa en la figura 1A y el funcionamiento en tanto que convertidor CC/CA.The description that follows is based on Figure 1A and the operation as a DC / AC converter.

La etapa de rango uno Et1 incluye una única estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión Ce10.The range one stage Et1 includes a single switching structure of four voltage levels Ce10.

Una etapa de rango i (i entero comprendido entre 2 y n) Eti incluye i estructuras Cei1, Cei2...Ceii de conmutación de cuatro niveles de tensión, idénticas, conectadas en serie. Cada una de las i estructuras Cei1, Cei2...Ceii de conmutación de cuatro niveles de tensión de la etapa de rango i Eti se conecta por medio de una inductancia Lauxi1, Lauxi2, ...., Lauxii a la etapa de rango i-1. La etapa de rango i-1 no se representa. De ese modo en la figura 1A, la etapa de rango 2, Et2 incluye dos estructuras Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión que se unen a través de dos inductancias Laux21, Laux22 a la etapa de rango 1 Et1.A stage of range i (i integer between 2 and n) Eti includes i structures Cei1, Cei2 ... Ceii switching four voltage levels, identical, connected in series. Each of the structures Cei1, Cei2 ... Ceii of switching of four voltage levels of the stage of rank i Eti is connected by means of an inductance Lauxi1, Lauxi2, ...., Lauxii to the stage of rank i -one. The stage of rank i-1 is not represented. Thus in Figure 1A, the stage of rank 2, Et2 includes two structures Ce21, Ce22 of switching of four voltage levels that are joined through two inductors Laux21, Laux22 to the stage of rank 1 Et1.

La etapa de rango n Etn incluye n estructuras Cen1, Cen2,....Cen(n-1), Cenn de conmutación de cuatro niveles de tensión que se conectan a través de n inductancias Lauxn1, Lauxn2,....Lauxn(n-1), ....Lauxnn a la etapa de rango n-1. La etapa de rango i-1 no se representa. Cada una de estas inductancias es asimilable a una fuente de corriente para respetar las reglas de conexión entre fuente de tensión y fuente de corriente. Las inductancias que conectan dos mismas etapas son del mismo valor. Por el contrario, unas inductancias que no conecten dos mismas etapas no tienen forzosamente los mismos valores, pero por razones de simplificación, se les puede elegir del mismo valor. Es posible que el enlace de una estructura de conmutación de una etapa de rango cualquiera con la etapa que le precede, se realice directamente sin la presencia de una inductancia. Es suficiente que permanezcan una o varias inductancias entre esta etapa de rango cualquiera y la etapa que le precede. La o las inductancias que subsisten tendrán entonces un valor aumentado con relación al que tendrían si todas las inductancias estuvieran presentes entre las dos etapas. Se realiza de manera que el valor total de las inductancias que conectan dos etapas sucesivas sea la misma cualquiera que sea el número de inductancias. Se ha representado para ilustrar este principio, en la figura 1A, la inductancia Laux22 en línea de puntos, lo que significa que puede omitirse.The range stage n Etn includes n structures Cen1, Cen2, .... Cen (n-1), Cenn switching of four voltage levels that are connected through n inductances Lauxn1, Lauxn2, .... Lauxn ( n-1), .... Lauxnn to the n-1 rank stage. The stage of rank i-1 is not represented. Each of these inductances is assimilable to a current source to respect the rules of connection between voltage source and current source. The inductances that connect two same stages are of the same value. On the contrary, some inductances that do not connect two same stages do not necessarily have the same values, but for reasons of simplification, they can be chosen of the same value. It is possible that the linkage of a switching structure of any stage of any range with the preceding stage is carried out directly without the presence of an inductance. It is sufficient that one or more inductances remain between this stage of any range and the stage that precedes it. The inductance (s) that remain will then have an increased value in relation to what they would have if all the inductances were present between the two stages. It is done so that the total value of the inductances that connect two successive stages is the same regardless of the number of inductances. It has been represented to illustrate this principle, in Figure 1A, the dotted Laux22 inductance, which means that it can be omitted.

Se observa que la tensión VCC aplicada a la etapa de rango n Etn se ha escindido en n tensiones iguales asociadas en serie. Estas son las tensiones de entrada de las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión de la etapa de rango n. Estas tensiones se referencian En1, En2, En(n-1), Enn.It is observed that the voltage VCC applied to the stage of rank n Etn has been split into n equal voltages associated in series. These are the input voltages of the four voltage level switching structures of the n-stage stage. These voltages are referenced En1, En2, En (n-1), Enn.

Cada estructura Ce10 a Cenn de conmutación de cuatro niveles de tensión incluye, como se verá más adelante, con referencia la descripción de la figura 3A, un puente divisor capacitivo que materializa una fuente de tensión. Estos puentes divisores capacitivos se referencian Ca10, para la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión Ce10.Each Ce10 to Cenn four-level voltage switching structure includes, as will be seen below, with reference to the description of Figure 3A, a capacitive divider bridge that materializes a voltage source. These capacitive divider bridges are referenced Ca10, for the four-voltage switching structure Ce10.

Como variante, es posible que la fuente de tensión VCC se forme con n fuentes de tensión elementales ramificada cada una en una de las n estructuras Cen1, ...Cenn de conmutación de cuatro niveles de tensión de la etapa n Etn, en los bornes de cada uno de los puentes divisores capacitivos. Las tensiones En1, En2, En(n-1), En son las tensiones en los bornes de los puentes divisores capacitivos de la etapa de rango n.As a variant, it is possible that the voltage source VCC is formed with n elementary branched voltage sources each in one of the n Cen1 structures, ... Cenn switching of four voltage levels of stage n Etn, in the terminals of each of the capacitive divider bridges. The voltages En1, En2, En (n-1), En are the voltages at the terminals of the capacitive divider bridges of the range n stage.

Las salidas de las estructuras Cen1 a Cenn de conmutación de cuatro niveles de tensión se consideran como unas fuentes de tensión flotantes. Se conectan a través de las inductancias a los puentes divisores capacitivos de las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión de la etapa de rango n-1. Estas estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión de la etapa de rango n-1 se consideran igualmente como fuentes de tensión flotantes. Las inductancias entre la etapa de rango n y la etapa de rango n-1 son asimilables a unas fuentes de corriente para respetar una alternancia fuente de tensión-fuente de corriente.The outputs of the Cen1 to Cenn switching structures of four voltage levels are considered as floating voltage sources. They are connected through the inductances to the capacitive divider bridges of the four voltage level switching structures of the n-1 range stage. These four voltage level switching structures of the n-1 range stage are also considered as floating voltage sources. The inductances between the stage of rank n and the stage of rank n-1 are similar to current sources to respect a voltage source-current source alternation.

Se eligen los componentes de la enésima etapa Etn de manera que la tensión de entrada VCC se escinda en n tensiones de entrada iguales aplicadas a cada una de las n estructuras Cen1 a Cenn de conmutación de cuatro niveles de tensión. Se aplica de ese modo VCC/n sobre cada una de las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión de la enésima etapa Etn.The components of the nth stage Etn are chosen so that the input voltage VCC is split into n equal input voltages applied to each of the n Cen1 to Cenn switching structures of four voltage levels. VCC / n is thus applied to each of the four voltage level switching structures of the nth stage Etn.

Se puede definir una función f de conversión asociada a cada estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión, vincula la tensión Ve de entrada aplicada a dicha estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión con la tensión Vs presente en la salida de la misma dicha estructura de conmutación. Vs = f * Ve siendo -1 < f < 1. En cada etapa, se configuran y se controlan las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión de manera que sus funciones de conversión asociadas sean iguales. De esa manera, las tensiones aplicadas en la entrada de cada una de las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión son iguales a VCC/n. Todas las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión del convertidor deben soportar esta tensión VCC/n. Responde al objetivo inicial de reducción de las restricciones de tensión sobre los interruptores de semiconductores para una tensión continua dada aplicada a la etapa de rango n.A conversion function f associated to each four voltage level switching structure can be defined, links the input voltage Ve applied to said four voltage level switching structure with the voltage Vs present at the output of said voltage structure. switching Vs = f * See being -1 <f <1. At each stage, the switching structures of four voltage levels are configured and controlled so that their associated conversion functions are equal. Thus, the voltages applied at the input of each of the four voltage level switching structures are equal to VCC / n. All four voltage level switching structures of the converter must withstand this voltage VCC / n. Respond to initial objective of reducing the voltage restrictions on the semiconductor switches for a given continuous voltage applied to the stage of rank n.

Se describirá, con referencia a la figura 2, una estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión del convertidor multinivel objeto de la invención. Esta estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión incluye una célula 20 de tipo de condensador flotante de tres niveles de tensión, una primera y una segunda célula 21 y 22 de conmutación de base y un puente 23 divisor capacitivo.A four-voltage switching structure of the multilevel converter object of the invention will be described with reference to Figure 2. This four voltage level switching structure includes a three voltage level floating capacitor type cell 20, a first and a second base switching cell 21 and 22 and a capacitive divider bridge 23.

La célula 20 de tipo de condensador flotante incluye un cuarteto de interruptores elementales montados en serie denominados K1, K2, K1', K2'. En este cuarteto, un primer interruptor K2 elemental y un segundo interruptor K2' elemental están en posición extrema y un primer interruptor K1 elemental y un segundo interruptor K1' elemental están en posición mediana, los dos interruptores K1, K1' elementales en posición mediana están directamente conectados entre sí en un nodo medio M. En el cuarteto, un interruptor elemental en posición extrema se conecta directamente a un interruptor elemental en posesión mediana. Este enlace permite definir un primer punto medio M1 entre el primer interruptor K2 elemental en posición extrema y el primer interruptor K1 elemental en posición mediana y un segundo punto medio M1' entre el segundo interruptor K2' elemental en posición extrema y el segundo interruptor K1' elemental en posición mediana. Los extremos del cuarteto de interruptores K1, K2, K1', K2' en serie se denominan M2 y M2', estando el extremo M2 del lado del interruptor K2 elemental y estando el extremo M2' del lado del interruptor K2' elemental.The floating capacitor type cell 20 includes a quartet of elementary switches mounted in series called K1, K2, K1 ', K2'. In this quartet, a first elementary switch K2 and a second elementary switch K2 'are in the extreme position and a first elementary switch K1 and a second elementary switch K1' are in the middle position, the two elementary switches K1, K1 'in the middle position are directly connected to each other in a middle node M. In the quartet, an elementary switch in the extreme position is connected directly to an elementary switch in medium possession. This link allows defining a first midpoint M1 between the first elementary switch K2 in the extreme position and the first elementary switch K1 in the middle position and a second midpoint M1 'between the second elementary switch K2' in the extreme position and the second switch K1 ' elementary in medium position. The ends of the switch quartet K1, K2, K1 ', K2' in series are called M2 and M2 ', the end M2 being on the side of the elementary switch K2 and the end M2' being on the side of the switch K2 'elementary.

Se conecta a un dispositivo de almacenamiento de energía C entre el primer punto medio M1 y el segundo punto medio M1'.It is connected to an energy storage device C between the first midpoint M1 and the second midpoint M1 '.

Se definen dos funciones de conmutación en la célula 20 de tipo de condensador flotante. La primera función F1 de conmutación se utiliza para el control de un primer par de interruptores que comprenden el primer interruptor K1 elemental en posición mediana y el segundo interruptor K1' elemental en posesión mediana. La segunda función F2 de conmutación se utiliza para el control de un segundo par de interruptores que comprenden el primer interruptor K2 elemental en posición extrema y el segundo interruptor K2' elemental en posición extrema. Los dos interruptores elementales de un mismo par están siempre en estados complementarios, conductor o bloqueado, salvo por el valor del tiempo muerto. Este tiempo muerto se explicará posteriormente con relación a las figuras 5.Two switching functions are defined in the floating condenser type cell 20. The first switching function F1 is used for the control of a first pair of switches comprising the first elementary switch K1 in medium position and the second elementary switch K1 'in medium possession. The second switching function F2 is used for the control of a second pair of switches comprising the first elementary switch K2 in the extreme position and the second elementary switch K2 'in the extreme position. The two elementary switches of the same pair are always in complementary states, conductive or blocked, except for the value of the dead time. This dead time will be explained later in relation to figures 5.

Los interruptores K1, K2, K1', K2' elementales de la célula 20 de tipo de condensador flotante son unos interruptores de semiconductor e incluyen cada uno un conmutador Tr1, Tr2, Tr1', Tr2' electrónico de potencia controlable, tal como un transistor de potencia IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) por ejemplo asociado con un diodo D1, D2, D1', D2' conectado en anti-paralelo. En lugar de los transistores IGBT, se pueden diseñar otros conmutadores electrónicos de potencia tal como unos transistores MOSFET u otros.The elementary switches K1, K2, K1 ', K2' of the floating capacitor type cell 20 are semiconductor switches and each include a controllable power switch Tr1, Tr2, Tr1 ', Tr2', such as a transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) power for example associated with a diode D1, D2, D1 ', D2' connected in anti-parallel. Instead of the IGBT transistors, other power electronic switches such as some MOSFET transistors or others can be designed.

La función F1 de conmutación vale 1 cuando el interruptor K1 elemental es conductor y el interruptor K1' elemental está bloqueado y vale 0 cuando el interruptor K1 elemental está bloqueado y el interruptor K1' elemental es conductor.The switching function F1 is valid 1 when the elementary switch K1 is conductive and the elementary switch K1 'is locked and is worth 0 when the elementary switch K1 is locked and the elementary switch K1' is conductive.

La función F2 de conmutación vale 1 cuando el interruptor K2 elemental es conductor y el interruptor K2' elemental está bloqueado y vale 0 cuando el interruptor K2 elemental está bloqueado y el interruptor K2' elemental es conductor.The switching function F2 is worth 1 when the elementary switch K2 is conductive and the elementary switch K2 'is locked and is worth 0 when the elementary switch K2 is locked and the elementary switch K2' is conductive.

Cada una de las células 21, 22 de conmutación de base, incluye un par de interruptores elementales montados en serie. Se referencian K3u, K3'u para la primera célula 21 de conmutación de base y K3l, K3'l para la segunda célula 22 de conmutación de base. En un par, los dos interruptores tienen un punto medio. Para la célula 21 de conmutación de base, el punto medio se conecta en el extremo M2 del cuarteto de la célula 20 de tipo de condensador flotante. Para la célula 22 de conmutación de base, el punto medio se conecta en el extremo M2' del cuarteto de la célula 20 de tipo de condensador flotante.Each of the base switching cells 21, 22 includes a pair of elementary switches mounted in series. K3u, K3'u for the first base switching cell 21 and K3l, K3'l for the second base switching cell 22 are referenced. In a pair, the two switches have a midpoint. For the base switching cell 21, the midpoint is connected at the M2 end of the quartet of the floating condenser type cell 20. For the base switching cell 22, the midpoint is connected at the M2 'end of the quartet of the floating condenser type cell 20.

Cada célula 21, 22 de conmutación de base incluye igualmente un primer y segundo bornes extremos. El primer borne extremo se denomina M3, el segundo borne extremo se denomina M4 para la primera célula 21 de conmutación de base. El primer borne extremo se denomina M3', el segundo borne extremo se denomina M4' para la segunda célula 22 de conmutación de base. Los dos primeros bornes M3 y M3' extremos forman los dos bornes de entrada de la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión, mientras que el borne M forma el borne de salida en un funcionamiento de conversión CC/CA.Each base switching cell 21, 22 also includes a first and second end terminals. The first end terminal is called M3, the second end terminal is called M4 for the first base switching cell 21. The first end terminal is called M3 ', the second end terminal is called M4' for the second base switching cell 22. The first two terminals M3 and M3 'ends form the two input terminals of the four voltage level switching structure, while terminal M forms the output terminal in a DC / AC conversion operation.

Los interruptores K3u, K3'u, K3l, K3'l elementales de las dos células 21, 22 de conmutación de base son igualmente unos interruptores de semiconductor e incluyen cada uno un conmutador electrónico de potencia controlable, tal como un transistor de potencia IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), por ejemplo, asociado con un diodo conectado en anti-paralelo. Estos diodos y transistores de potencia no se han referenciado para no sobrecargar la figura. En lugar de los transistores IGBT, se pueden diseñar igualmente otros conmutadores electrónicos de potencia tal como unos transistores MOSFET u otros.The elementary switches K3u, K3'u, K3l, K3'l of the two base switching cells 21, 22 are also semiconductor switches and each include an electronic controllable power switch, such as an IGBT power transistor ( Insulated Gate Bipolar Transistor), for example, associated with a diode connected in anti-parallel. These diodes and power transistors have not been referenced so as not to overload the figure. Instead of IGBT transistors, other power electronic switches such as some MOSFET transistors or others can also be designed.

Se define una tercera función F3 de conmutación para controlar los interruptores elementales de las células 21 y 22 de conmutación de base. El interruptor K3u elemental y el interruptor K3l elemental se controlan de manera idéntica. A third switching function F3 is defined to control the elementary switches of the base switching cells 21 and 22. The elementary switch K3u and the elementary switch K3l are controlled identically.

Los dos interruptores K3u, K3'u elementales de la célula 21 de conmutación de base están siempre en estados opuestos. Es lo mismo para los interruptores K3l, K3'l de la célula 22 de conmutación de base.The two elementary switches K3u, K3'u elementary of the base switching cell 21 are always in opposite states. It is the same for switches K3l, K3'l of the base switching cell 22.

La función F3 de conmutación vale 1 cuando los interruptores K3u, K3l elementales son conductores y los interruptores K3'u, K3'l elementales están bloqueados y vale 0 cuando los interruptores K3u, K3l elementales están bloqueados y los interruptores K3'u, K3'l elementales son conductores.The switching function F3 is worth 1 when the elementary switches K3u, K3l are conductive and the elementary switches K3'u, K3'l are locked and is worth 0 when the elementary switches K3u, K3l are locked and the switches K3'u, K3 ' The elementals are conductive.

El puente 23 divisor capacitivo incluye un triplete de dispositivos C100, C200 y C300 de almacenamiento de energía conectados en serie. El primer dispositivo C100 de almacenamiento de energía se monta en los bornes de la primera célula 21 de conmutación de base, entre los bornes M3, M4 extremos. El tercer dispositivo C300 de almacenamiento de energía se monta en los bornes de la segunda célula 22 de conmutación de base, entre su primer y su segundo bornes M3', M4' extremos. El segundo dispositivo C200 de almacenamiento de energía se monta entre la primera célula 21 de conmutación de base y la segunda célula 22 de conmutación de base, entre los segundos bornes extremos de estas células de conmutación de base. El puente 23 divisor capacitivo posee dos bornes M3 y M3' extremos que son comunes respectivamente a la primera célula 21 de conmutación de base y a la segunda célula 22 de conmutación de base.The bridge 23 capacitive divider includes a triplet of C100, C200 and C300 power storage devices connected in series. The first energy storage device C100 is mounted on the terminals of the first base switching cell 21, between the terminals M3, M4 ends. The third energy storage device C300 is mounted on the terminals of the second base switching cell 22, between its first and its second terminals M3 ', M4' ends. The second energy storage device C200 is mounted between the first base switching cell 21 and the second base switching cell 22, between the second end terminals of these base switching cells. The capacitive divider bridge 23 has two terminals M3 and M3 'ends that are common respectively to the first base switching cell 21 and the second base switching cell 22.

Los dispositivos de almacenamiento de energía de esta estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión se eligen entre un condensador, una batería, una pila de combustible. Los dispositivos de almacenamiento del puente 23 divisor capacitivo tienen la misma capacidad de almacenamiento y una misma tensión soportada.The energy storage devices of this four voltage level switching structure are chosen from a capacitor, a battery, a fuel cell. The storage devices of the capacitive divider bridge 23 have the same storage capacity and the same supported voltage.

Según los estados de los interruptores elementales de la estructura de conmutación de la figura 2, la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión puede tomar ocho estados diferentes que conducen a cuatro niveles de tensiones diferentes: 0, Ve/3, 2Ve/3, Ve.According to the states of the elementary switches of the switching structure of Figure 2, the switching structure of four voltage levels can take eight different states that lead to four different voltage levels: 0, Ve / 3, 2Ve / 3, Go.

La tabla que sigue reagrupa estos ocho estados numerados del 1 al 8. La función f de conmutación mencionada más arriba depende de las funciones F1, F2 y F3 de conmutación.The following table regroups these eight states numbered 1 through 8. The switching function f mentioned above depends on the switching functions F1, F2 and F3.

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Figure imgf000007_0001

Con lo que antecede, la tensión Ve de entrada que se aplica en los bornes del puente 23 divisor capacitivo se subdivide en tres tensiones E1, E2, E3 iguales que se aplican cada una respectivamente en los bornes de uno de los dispositivos C100, C200, C300 de almacenamiento de energía. La tensión Vs de salida se expresa por:With the foregoing, the input voltage Ve that is applied to the terminals of the capacitive divider bridge 23 is subdivided into three equal voltages E1, E2, E3 that are applied respectively to the terminals of one of the devices C100, C200, C300 energy storage. The output voltage Vs is expressed by:

Vs = (F1 F2 F3) Ve/3Vs = (F1 F2 F3) Ve / 3

La tensión Vs se toma entre el nodo M y el nodo M'3.The voltage Vs is taken between node M and node M'3.

Se ha representado en la figura 4.1 el aspecto de la señal de consigna también llamada tensión Vref de consigna que servirá principalmente para determinar los instantes de conmutación de todos los interruptores elementales de la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión ilustrada en la figura 2. Esta tensión Vref de consigna se utilizará en varias comparaciones, como se verá posteriormente. Es sinusoidal y la tensión Vs de salida que se ilustra en la figura 4.13 está en fase con esta tensión Vref de consigna.Figure 4.1 shows the aspect of the setpoint signal, also called the setpoint voltage Vref, which will mainly be used to determine the switching instants of all the elementary switches of the four voltage level switching structure illustrated in Figure 2. This setpoint voltage Vref will be used in several comparisons, as will be seen later. It is sinusoidal and the output voltage Vs illustrated in Figure 4.13 is in phase with this setpoint voltage Vref.

Se ha representado en la figura 4.2 un cronograma de la portadora Car1 utilizada con la tensión Vref de consigna para realizar la función F1 de conmutación y determinar los instantes de conmutación de los interruptores K1, K1' elementales de la célula 20 de tipo de condensador flotante. Es una portadora triangular cuya amplitud está comprendida entre -1 y 1.A schedule of the carrier Car1 used with the setpoint voltage Vref to perform the switching function F1 and determine the switching moments of the elementary switches K1, K1 'of the floating condenser type cell 20 is shown in Figure 4.2. . It is a triangular carrier whose amplitude is between -1 and 1.

Se ha representado en la figura 4.3 un cronograma de la portadora Car2 utilizada con la tensión Vref de consigna para realizar la función F2 de conmutación y determinar los instantes de conmutación de los interruptores K2, K2' elementales de la célula 20 de tipo de condensador flotante. Es una portadora triangular cuya amplitud está comprendida entre -1 y 1. Las dos portadoras Car1 y Car2 están desfasadas en un semiperíodo del troceado. La frecuencia de troceado es mucho más elevada que la frecuencia de la tensión Vs de salida ilustrada en la figura 2. Se ha representado en la figura 4.4 un cronograma de la portadora Car3 utilizada con la tensión Vref de consigna para realizar la función F3 de conmutación y determinar los instantes de conmutación de los interruptores K3u, K3'u, K3l, K3'l elementales de las células 21, 22 de conmutación de base. Es una señal constante de amplitud 0,6.A chronogram of the Car2 carrier used with the setpoint voltage Vref to perform the switching function F2 and determine the switching moments of the elementary switches K2, K2 'of the floating capacitor type cell 20 is shown in Figure 4.3. . It is a triangular carrier whose amplitude is between -1 and 1. The two carriers Car1 and Car2 are out of phase in a half-period of cutting. The cutting frequency is much higher than the frequency of the output voltage Vs illustrated in figure 2. A schedule of the carrier Car3 used with the set voltage Vref has been shown in figure 4.4 to perform the switching function F3 and determine the switching moments of the elementary switches K3u, K3'u, K3l, K3'l of the base switching cells 21, 22. It is a constant signal of amplitude 0.6.

Los instantes de conmutación de los interruptores elementales se obtienen por comparación entre las portadoras triangulares y constante y la señal Vref de consigna. Se puede definir como regla, por ejemplo, un instante de conmutación de interruptor elemental aparece a partir de que la señal de consigna sea estrictamente superior a la portadora. Se habría podido por supuesto fijar como regla que un instante de conmutación del interruptor elemental aparece a partir de la señal de consigna sea superior o igual a la portadora.The switching instants of the elementary switches are obtained by comparison between the triangular and constant carriers and the setpoint Vref signal. It is possible to define as a rule, for example, an elementary switch switching instant appears after the setpoint signal is strictly higher than the carrier. It could of course have been established as a rule that a switching instant of the elementary switch appears from the setpoint signal is greater than or equal to the carrier.

La figura 4.5 es un cronograma de la señal de control del interruptor K1 elemental de la célula 20 de tipo de condensador flotante. Es una señal en almena cuyo periodo es igual a la de la señal Vref de consigna. El interruptor K1 elemental es conductor en tanto que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car1.Figure 4.5 is a chronogram of the control signal of the elementary switch K1 of the floating capacitor type cell 20. It is a battlement signal whose period is equal to that of the setpoint Vref signal. The elementary switch K1 is conductive as long as the setpoint voltage Vref is greater than the carrier Car1.

La figura 4.6 es un cronograma de la señal de control del interruptor K1' elemental de la célula 20 de tipo de condensador flotante. Es una señal en almena en oposición de fase con relación a la señal de control del interruptor K1 elemental salvo por el valor del tiempo muerto.Figure 4.6 is a chronogram of the control signal of the elementary switch K1 'of the floating capacitor type cell 20. It is a beacon signal in phase opposition in relation to the control signal of the elementary switch K1 except for the dead time value.

La figura 4.7 es un cronograma de la señal de control del interruptor K2 elemental de la célula 20 de tipo de condensador flotante. Es una señal en almena cuyo periodo es igual al de la señal Vref de consigna. El interruptor K2 elemental es conductor en tanto que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car2.Figure 4.7 is a chronogram of the control signal of the elementary switch K2 of the floating capacitor type cell 20. It is a battlement signal whose period is equal to that of the setpoint Vref signal. The elementary switch K2 is conductive as long as the setpoint voltage Vref is higher than the carrier Car2.

La figura 4.8 es un cronograma de la señal de control del interruptor K2' elemental de la célula 20 de tipo de condensador flotante. Es una señal en almena en oposición de fase con relación a la señal de control del interruptor K2 elemental salvo por el valor del tiempo muerto.Figure 4.8 is a chronogram of the control signal of the elementary switch K2 'of the floating capacitor type cell 20. It is a beacon signal in phase opposition in relation to the control signal of the elementary switch K2 except for the dead time value.

La figura 4.9 es un cronograma de la señal de control del interruptor K3u elemental de la célula 21 de conmutación de base. Es una señal en la almena cuyo periodo es igual al de la señal Vref de consigna. El interruptor K3u elemental es conductor en tanto que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car3. No es conductor más que una única vez por periodo de la señal Vref de consigna.Figure 4.9 is a chronogram of the control signal of the elementary switch K3u of the base switching cell 21. It is a signal in the battlement whose period is equal to that of the setpoint Vref signal. The elementary switch K3u is conductive as long as the setpoint voltage Vref is greater than the Car3 carrier. It is not a conductor more than one time per period of the setpoint Vref signal.

La figura 4.10 es un cronograma de la señal de control del interruptor K3'u elemental de la célula 21 de conmutación de base. Es una señal en almena en oposición de fase con relación a la señal de control del interruptor K3u elemental salvo por el valor del tiempo muerto.Figure 4.10 is a chronogram of the control signal of the elementary switch K3'u of the base switching cell 21. It is a beacon signal in phase opposition in relation to the control signal of the elementary switch K3u except for the dead time value.

La figura 4.11 es un cronograma de la señal de control del interruptor K3l elemental de la célula 22 de conmutación de base. Es una señal en la almena cuyo periodo es igual al de la señal Vref de consigna. El interruptor K3l elemental es conductor en tanto que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car3. No es conductor más que una única vez por periodo de la señal Vref de consigna.Figure 4.11 is a chronogram of the control signal of the elementary switch K3l of the base switching cell 22. It is a signal in the battlement whose period is equal to that of the setpoint Vref signal. The elementary switch K3l is conductive as long as the setpoint voltage Vref is greater than the Car3 carrier. It is not a conductor more than one time per period of the setpoint Vref signal.

La figura 4.12 es un cronograma de la señal de control del interruptor K3'l elemental de la célula 22 de conmutación de base. Es una señal en almena en oposición de fase con relación a la señal de control del interruptor K3l elemental salvo por el valor del tiempo muerto.Figure 4.12 is a chronogram of the control signal of the elementary switch K3'l of the base switching cell 22. It is a beacon signal in phase opposition in relation to the control signal of the elementary switch K3l except for the dead time value.

Se ha representado en la figura 4.13 un cronograma de la tensión Vs de salida de la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión de la figura 2 en el que los cuatro niveles de tensión son bien visibles: 0 V, 2000 V, 4000 V, 6000 V.A timetable of the output voltage Vs of the four voltage level switching structure of Figure 2 is shown in Figure 4.13 in which the four voltage levels are clearly visible: 0 V, 2000 V, 4000 V, 6000 V.

Se dirige la atención ahora a un ejemplo del brazo B del convertidor objeto de la invención que no incluye más que dos etapas Et1, Et2 y por tanto tres estructuras Ce10, Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión como se describe en la figura 2.The attention is now directed to an example of the arm B of the converter object of the invention that does not include more than two stages Et1, Et2 and therefore three structures Ce10, Ce21, Ce22 of switching of four voltage levels as described in the figure two.

Se describirá sucintamente este brazo con referencia a la figura 3A. Este brazo se configura para efectuar una conversión CC/CA. En la descripción que sigue, para simplificar, los dispositivos de almacenamiento de energía se han llamado condensadores. Esto no es limitativo. La única estructura Ce10 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la etapa de rango uno Et1 incluye una célula de tipo de condensador flotante formada por unos interruptores T2, T2' elementales extremos, unos interruptores T1, T1' elementales medios y por el condensador C12, una primera célula de conmutación de base con los interruptores T3u y T3'u elementales, una segunda célula de conmutación de base con los interruptores T3l y T3'l elementales, un puente divisor capacitivo con los condensadores C9, C10, C11. El condensador C9 y el condensador C10 tienen un nodo común N7, el condensador C10 y el condensador C11 tienen un nodo común N8.This arm will be succinctly described with reference to Figure 3A. This arm is configured to perform a DC / AC conversion. In the description that follows, to simplify, energy storage devices have been called capacitors. This is not limiting. The only four voltage level switching structure Ce10 of the range one stage Et1 includes a floating capacitor type cell formed by extreme elementary switches T2, T2 ', middle elementary switches T1, T1' and by capacitor C12 , a first basic switching cell with the elementary switches T3u and T3'u, a second basic switching cell with the elementary switches T3l and T3'l, a capacitive dividing bridge with the capacitors C9, C10, C11. The capacitor C9 and the capacitor C10 have a common node N7, the capacitor C10 and the capacitor C11 have a common node N8.

La primera estructura Ce21 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2 conectada a través de la inductancia Laux21 a la primera célula de conmutación de base de la primera etapa Et1 al nivel del nodo N6 incluye una célula de tipo de condensador flotante formada por unos interruptores T5u, T5'u elementales extremos, unos interruptores T4u, T4'u elementales medios y el condensador C7, una primera célula de conmutación de base con los interruptores T6u y T6'u elementales, una segunda célula de conmutación de base con los interruptores T7u y T7'u elementales, un puente divisor capacitivo con los condensadores C1, C2, C3. El condensador C1 y el condensador C2 tienen un nodo común N1, el condensador C2 y el condensador C3 tienen un nodo común N2.The first four voltage level switching structure Ce21 of the second stage Et2 connected through the Laux21 inductance to the first base switching cell of the first stage Et1 at the level of node N6 includes a floating capacitor type cell formed by switches T5u, T5'u elementary ends, switches T4u, T4'u elementary means and capacitor C7, a first base switching cell with switches T6u and T6'u elementary, a second base switching cell with the elementary switches T7u and T7'u, a capacitive divider bridge with capacitors C1, C2, C3. The capacitor C1 and the capacitor C2 have a common node N1, the capacitor C2 and the capacitor C3 have a common node N2.

La segunda estructura Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2 conectada a través de la inductancia Laux22 al nivel del nodo N9 a la segunda célula de conmutación de base de la primera etapa Et1 incluye una célula de tipo de condensador flotante formada por unos interruptores T5l, T5'l elementales extremos, unos interruptores T4l, T4'l elementales medios y el condensador C8, una primera célula de conmutación de base con los interruptores T7l y T7'l elementales, una segunda célula de conmutación de base con los interruptores T6l y T6'l elementales, un puente divisor capacitivo con los condensadores C4, C5, C6. El condensador C3 y el condensador C4 tienen un nodo común N3, el condensador C3 y el condensador C6 tienen un nodo común N5.The second four voltage level switching structure Ce22 of the second stage Et2 connected through the Laux22 inductance at the level of node N9 to the second base switching cell of the first stage Et1 includes a floating capacitor type cell formed by switches T5l, T5'l elementary ends, switches T4l, T4'l middle elemental and capacitor C8, a first basic switching cell with switches T7l and T7'l elementary, a second basic switching cell with the elementary switches T6l and T6'l, a capacitive divider bridge with capacitors C4, C5, C6. The capacitor C3 and the capacitor C4 have a common node N3, the capacitor C3 and the capacitor C6 have a common node N5.

Los dos puentes C1-C3, C4-C6 divisores capacitivos de la segunda etapa Et2 se conectan en serie.The two bridges C1-C3, C4-C6 capacitive dividers of the second stage Et2 are connected in series.

La fuente de tensión VCC está destinada a ser ramificada entre los bornes extremos de los dos puentes divisores capacitivos. De ese modo el borne E+ corresponde a un borne del condensador C1 no conectado a otro condensador y el borne E- corresponde a un borne del condensador C6 no conectado a otro condensador.The voltage source VCC is intended to be branched between the end terminals of the two capacitive divider bridges. Thus, the E + terminal corresponds to a capacitor terminal C1 not connected to another capacitor and the E- terminal corresponds to a capacitor terminal C6 not connected to another capacitor.

En lo que sigue, por razones de simplificación, la referencia VCC representará a la vez la fuente de tensión y la tensión en los bordes de esta fuente de tensión.In the following, for reasons of simplification, the reference VCC will represent both the voltage source and the voltage at the edges of this voltage source.

La tensión VCC se ha escindido en dos grupos de tres tensiones E1-E3 y E4-E6 iguales, aplicándose la tensión E1 a los bornes del condensador C1, aplicándose la tensión E2 a los bornes del condensador C2, aplicándose la tensión E3 a los bornes del condensador C3, aplicándose la tensión E4 a los bornes del condensador C4, aplicándose la tensión E5 a los bornes del condensador C5, aplicándose la tensión E6 a los bornes del condensador C6. La tensión en los bornes del condensador C7 se llama E7. La tensión en los bornes del condensador C8 se llama E8. La tensión en los bornes del condensador C12 se llama E12.The voltage VCC has been split into two groups of three equal voltages E1-E3 and E4-E6, the voltage E1 being applied to the terminals of the capacitor C1, the voltage E2 being applied to the terminals of the capacitor C2, the voltage E3 being applied to the terminals of the capacitor C3, the voltage E4 being applied to the terminals of the capacitor C4, the voltage E5 being applied to the terminals of the capacitor C5, the voltage E6 being applied to the terminals of the capacitor C6. The voltage at the terminals of capacitor C7 is called E7. The voltage at the terminals of capacitor C8 is called E8. The voltage at the terminals of capacitor C12 is called E12.

Está disponible una tensión Ef flotante entre los bornes N6, N9 de las inductancias Laux21, Laux22, del lado de la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1. Esta tensión Ef flotante se utiliza como tensión de entrada de la primera etapa Et1, se subdivide en tres tensiones E9, E10, E11 flotantes iguales que se aplican respectivamente a los bornes de los condensadores C9, C10, C11.A floating voltage Ef is available between terminals N6, N9 of the Laux21, Laux22 inductances, on the side of the four voltage level switching structure of the first stage Et1. This floating voltage Ef is used as the input voltage of the first stage Et1, it is subdivided into three equal floating voltages E9, E10, E11 that are applied respectively to the terminals of capacitors C9, C10, C11.

Se llama fc1 a la función de conversión que vincula la tensión Ef de entrada y la tensión Es de salida de la estructura Ce10 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1. La tensión Ef de entrada de la estructura Ce10 de conmutación corresponde a E9+E10+E11. La tensión Es de salida de la estructura Ce10 de conmutación se toma entre el nodo N9 y el nodo S.The conversion function that links the input voltage Ef and the output voltage Es of the four-voltage switching structure Ce10 of the first stage Et1 is called fc1. The input voltage Ef of the switching structure Ce10 corresponds to E9 + E10 + E11. The output voltage of the switching structure Ce10 is taken between node N9 and node S.

Se llama fc2 a la función de conversión que vincula la tensión VCC/2 de entrada y la tensión Vn3 N6 de salida de la primera estructura Ce21 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2. La tensión VCC/2 de entrada de la estructura Ce21 de conmutación de cuatro niveles de tensión corresponde a E1+E2+E3. La tensión Vn6 N3 de salida de la estructura Ce21 de conmutación se toma entre el nodo N3 y el nodo N6.The conversion function that links the input voltage VCC / 2 and the output voltage Vn 3 N 6 of the first four-level switching structure Ce21 of the second stage Et2 is called fc2. The input VCC / 2 voltage of the Ce21 four-voltage switching structure corresponds to E1 + E2 + E3. The output voltage V n6 N 3 of the switching structure Ce21 is taken between node N3 and node N6.

Se llama fc3 a la función de conversión que vincula la tensión VCC/2 de entrada y la tensión Ve-n9 de salida de la segunda estructura Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2. La tensión VCC/2 de entrada de la estructura Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión corresponde a E4+E5+E6. La tensión Vn9 e- de salida de la estructura Ce22 de conversión se toma entre el nodo E- y el nodo N9.The conversion function that links the input voltage VCC / 2 and the output voltage V e - n9 of the second four-level switching structure Ce22 of the second stage Et2 is called fc3. The input voltage VCC / 2 of the four-voltage switching structure Ce22 corresponds to E4 + E5 + E6. The output voltage Vn 9 e- of the conversion structure Ce22 is taken between node E- and node N9.

Eligiendo los componentes de las dos estructuras Ce21 y Ce22 de tensión de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2 de manera que las tensiones que se apliquen en los bornes de los dos puentes divisores capacitivos sean iguales a VCC/2 y eligiendo unas funciones fc2 y fc3 de conversión iguales, las tensiones aplicadas en la entrada de cada una de las tres estructuras Ce10, Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión son iguales a VCC/2. Hay un reparto equilibrado de las tensiones entre cada estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión. Estas estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión no tienen entonces que soportar más que la mitad de la tensión de entrada, lo que corresponde al objetivo fijado.Choosing the components of the two voltage structures Ce21 and Ce22 of four voltage levels of the second stage Et2 so that the voltages applied to the terminals of the two capacitive divider bridges are equal to VCC / 2 and choosing functions fc2 and equal conversion fc3, the voltages applied at the input of each of the three Ce10, Ce21, Ce22 switching structures of four voltage levels are equal to VCC / 2. There is a balanced distribution of the tensions between each switching structure of four voltage levels. These four voltage level switching structures do not then have to support more than half of the input voltage, which corresponds to the target set.

Sobre el brazo ilustrado en la figura 3A, los controles de los interruptores T3u y T3l elementales son idénticos, los controles de los interruptores T4u y T4l elementales son idénticos, los controles de los interruptores T5u y T5l elementales son idénticos, los controles de los interruptores T6u y T6l elementales son idénticos, los controles de los interruptores T7u y T7l elementales son idénticos. Además, como se ha enunciado más arriba durante la descripción de la figura 2, los comandos de los interruptores elementales T6u y T7u son idénticos y los controles de los interruptores elementales T6l y T7l son idénticos.On the arm illustrated in Figure 3A, the controls of the elementary switches T3u and T3l are identical, the controls of the elementary switches T4u and T4l are identical, the controls of the elementary switches T5u and T5l are identical, the controls of the switches T6u and T6l elementary are identical, the controls of the T7u and T7l elementary switches are identical. In addition, as stated above during the description of Figure 2, the commands of the elementary switches T6u and T7u are identical and the controls of the elementary switches T6l and T7l are identical.

Con sus tres estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión, un brazo B así posee seis funciones F10, F20, F30, F40, F50, F60 de conmutación.With its three switching structures of four voltage levels, such an arm B has six functions F10, F20, F30, F40, F50, F60 switching.

La función F10 de conmutación se utiliza para el control del par de interruptores T1, T1' elementales en posición mediana de la célula de tipo de condensador flotante de la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1. The switching function F10 is used for the control of the pair of elementary switches T1, T1 'in the medium position of the floating capacitor type cell of the four voltage level switching structure of the first stage Et1.

La función F20 de conmutación se utiliza para el control del par de interruptores T2, T2' elementales en posición extrema de la célula de tipo de condensador flotante de la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1.The switching function F20 is used for the control of the pair of elementary switches T2, T2 'in the extreme position of the floating capacitor type cell of the four voltage level switching structure of the first stage Et1.

La función F30 de conmutación se utiliza para el control de los interruptores T3u, T3'u, T3l, T3'l elementales de las células de conmutación de base de la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1.The switching function F30 is used for the control of the elementary switches T3u, T3'u, T3l, T3'l of the base switching cells of the four voltage level switching structure of the first stage Et1.

La función F40 de conmutación se utiliza para el control de los pares de interruptores T4u, T4'u, T4l, T4'l elementales en posición mediana de las dos células de tipo de condensador flotante situadas en las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2.The switching function F40 is used for the control of the pairs of switches T4u, T4'u, T4l, T4'l in the middle position of the two floating capacitor type cells located in the switching structures of four voltage levels of the second stage Et2.

La función F50 de conmutación se utiliza para el control de los pares de interruptores T5u, T5'u, T5l, T5'l elementales en posición extrema de las dos células de tipo de condensador flotante situadas en las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2.The switching function F50 is used for the control of the pairs of switches T5u, T5'u, T5l, T5'l in extreme position of the two floating capacitor type cells located in the four voltage level switching structures of the second stage Et2.

La función F60 se utiliza para el control de los interruptores elementales T6u, T6'u, T7u, T7'u, T7l, T7'l, T6l, T6'l de las células de conmutación de base de las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2. Se puede hacer referencia a la descripción de la figura 2 en lo que se refiere a los valores tomados por estas funciones de conmutación en función del estado conductor o bloqueado de los interruptores elementales. El convertidor de la figura 3A permite obtener en la salida 7 niveles de tensión diferentes 0, VCC/6, 2VCC/6, 3VCC/6, 4VCC/6, 5VCC/6, VCC entre los nodos S y E- y 64 estados en función del estado conductor o bloqueado de sus interruptores elementales.The F60 function is used for the control of the elementary switches T6u, T6'u, T7u, T7'u, T7l, T7'l, T6l, T6'l of the basic switching cells of the four-level switching structures voltage of the second stage Et2. Reference can be made to the description of Figure 2 in regard to the values taken by these switching functions depending on the conductive or blocked state of the elementary switches. The converter of figure 3A allows to obtain 7 different voltage levels 0, VDC / 6, 2VDC / 6, 3VDC / 6, 4VDC / 6, 5VDC / 6, VCC between nodes S and E- and 64 states in the output function of the conductive or blocked state of its elementary switches.

Se han reagrupado en la tabla siguiente los 64 estados diferentes así como los 7 niveles de tensión Vs correspondientes en la salida de la primera etapa Et1. La tensión Vs se toma entre el nodo S y el borne E-. La tensión de salida, Vs, se expresa por:The 64 different states have been regrouped in the following table as well as the 7 corresponding voltage levels Vs at the output of the first stage Et1. The voltage Vs is taken between node S and terminal E-. The output voltage, Vs, is expressed by:

Vs = [F10 F20 F30 F40 F50 F60] VCC/2Vs = [F10 F20 F30 F40 F50 F60] VCC / 2

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continuacióncontinuation

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Analizando esta tabla, se observa que diversos estados y por tanto diversas configuraciones de los interruptores elementales conducen a una misma tensión Vs. Este grado de libertad es interesante para mantener el equilibrado de las tensiones flotantes. Se utilizará este grado de libertad para mantener el equilibrado de las tensiones de los condensadores.Analyzing this table, it is observed that different states and therefore different configurations of the elementary switches lead to the same voltage Vs. This degree of freedom is interesting to maintain the balancing of the floating tensions. This degree of freedom will be used to maintain the balance of the capacitor voltages.

Se ha representado en la figura 5.1 el aspecto de la tensión Vref de consigna que servirá principalmente para determinar los instantes de conmutación de todos los interruptores elementales del brazo B ilustrado en la figura 3A. Corresponde a la ilustrada en la figura 4.1. Está en fase con la tensión Vs a la salida de la etapa Et1 tomada entre el nodo S y el nodo E-, ilustrado en la figura 5.14.Figure 5.1 shows the aspect of the setpoint voltage Vref, which will mainly be used to determine the switching moments of all the elementary switches of the arm B illustrated in Figure 3A. Corresponds to that illustrated in Figure 4.1. It is in phase with the voltage Vs at the output of stage Et1 taken between node S and node E-, illustrated in Figure 5.14.

Se ha representado en la figura 5.2 un cronograma de la portadora Car10 utilizada con la tensión Vref de consigna para realizar la función F10 de conmutación y determinar los instantes de conmutación de los interruptores T1, T1' elementales de la estructura Ce10 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1. Es una portadora triangular cuya amplitud está comprendida entre -1 y 1.A schedule of the Car10 carrier used with the setpoint voltage Vref has been shown in Figure 5.2. to perform the switching function F10 and determine the switching moments of the switches T1, T1 'elementary of the Ce10 four-voltage switching structure of the first stage Et1. It is a triangular carrier whose amplitude is between -1 and 1.

Se ha representado en la figura 5.3 un cronograma de la portadora Car20 utilizada con la tensión Vref de consigna para realizar la función F20 de conmutación y determinar los instantes de conmutación de los interruptores T2, T2' elementales en posición extrema de la célula de tipo de condensador flotante de la estructura Ce10 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1. Es una portadora triangular cuya amplitud está comprendida entre -1 y 1. La portadora Car20 está desfasada en n o en 1/2fsw con relación a la portadora Car10. La magnitud fsw representa la frecuencia de troceado, es mucho más elevada que la frecuencia de la tensión Vs de salida ilustrada en la figura 5.14.A schedule of the Car20 carrier used with the setpoint voltage Vref to perform the switching function F20 and determine the switching instants of the elementary switches T2, T2 'in the extreme position of the type cell is shown in Figure 5.3. floating capacitor of the Ce10 switching structure of four voltage levels of the first stage Et1. It is a triangular carrier whose amplitude is between -1 and 1. The Car20 carrier is offset by 1 or 2fsw in relation to the Car10 carrier. The magnitude fsw represents the cutting frequency, it is much higher than the frequency of the output voltage Vs illustrated in Figure 5.14.

Se ha representado en la figura 5.4 un cronograma de la portadora Car30 utilizada con la tensión Vref de consigna para realizar la función F30 de conmutación y determinar los instantes de conmutación de los interruptores T3u, T3'u, T3l, T3'l elementales de las células de conmutación de base de la estructura Ce10 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1. La portadora Car30 está desfasada en n/2 o en 1/fsw con relación a la portadora Car10.A schedule of the Car30 carrier used with the setpoint voltage Vref to perform the switching function F30 and determine the switching moments of the switches T3u, T3'u, T3l, T3'l of the elementary elements is shown in Figure 5.4. base switching cells of the Ce10 four-level voltage switching structure of the first stage Et1. The Car30 carrier is offset by n / 2 or 1 / fsw relative to the Car10 carrier.

Se ha representado en la figura 5.5 un cronograma de la portadora Car40 utilizada con la tensión Vref de consigna para realizar la función F40 de conmutación y determinar los instantes de conmutación de los interruptores T4u, T4'u, T4l, T4'l elementales en posición mediana de las dos células de tipo de condensador flotante situadas en las estructuras Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2. Es una señal constante de amplitud -2/3.A schedule of the Car40 carrier used with the setpoint voltage Vref to perform the switching function F40 and determine the switching instants of the elementary switches T4u, T4'u, T4l, T4'l in position is shown in Figure 5.5. median of the two floating capacitor type cells located in the Ce21, Ce22 switching structures of four voltage levels of the second stage Et2. It is a constant signal of amplitude -2/3.

Se ha representado en la figura 5.6 un cronograma de la portadora Car50 utilizada con la tensión Vref de consigna para realizar la función F50 de conmutación y determinar los instantes de conmutación de los interruptores T5u, T5'u, T5l, T5'l elementales en posición extrema de las dos células de tipo de condensador flotante situadas en las estructuras Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2. Es una señal constante de amplitud nula.A schedule of the Car50 carrier used with the setpoint voltage Vref to perform the switching function F50 and determine the switching moments of the elementary switches T5u, T5'u, T5l, T5'l in position is shown in Figure 5.6. end of the two floating capacitor type cells located in the Ce21, Ce22 switching structures of four voltage levels of the second stage Et2. It is a constant signal of zero amplitude.

Se ha representado en la figura 5.7 un cronograma de la portadora Car60 utilizada con la tensión Vref de consigna para realizar la función F60 de conmutación y determinar los instantes de conmutación de los interruptores T6u, T6'u, T7u, T7'u, T7l, T7'l, T6l, T6'l elementales de las células de conmutación de base de las estructuras Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión. Es una señal constante de amplitud 2/3.A schedule of the Car60 carrier used with the setpoint voltage Vref to perform the switching function F60 and determine the switching moments of the switches T6u, T6'u, T7u, T7'u, T7l, is shown in Figure 5.7. T7'l, T6l, T6'l elementary base switching cells of structures Ce21, Ce22 switching four voltage levels. It is a constant signal of amplitude 2/3.

Los instantes de conmutación de los interruptores elementales se obtienen por comparación entre las portadoras triangulares y constantes y la señal Vref de consigna. Se puede definir como regla, por ejemplo, que un instante de conmutación de un interruptor elemental se produce a partir de que la señal de consigna es estrictamente superior a la portadora. Se habría podido por supuesto fijar como regla que un instante de conmutación del interruptor elemental se produce a partir de que la señal de consigna sea superior o igual a la portadora.The switching instants of the elementary switches are obtained by comparison between the triangular and constant carriers and the setpoint Vref signal. It can be defined as a rule, for example, that a switching instant of an elementary switch occurs after the setpoint signal is strictly superior to the carrier. It could of course have been established as a rule that a switching instant of the elementary switch occurs after the setpoint signal is greater than or equal to the carrier.

La figura 5.8 es un cronograma de la función F10 de conmutación utilizada para el control del par de interruptores T1, T1' elementales en posición mediana de la célula de tipo de condensador flotante de la estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1. Es una señal en almena cuyo periodo es igual a la de la frecuencia fsw de troceado. La función F10 de conmutación está a un nivel 1 mientras que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car10.Figure 5.8 is a chronogram of the switching function F10 used for the control of the pair of elementary switches T1, T1 'in a medium position of the floating capacitor type cell of the four stage voltage switching structure of the first stage. Et1. It is a battlement signal whose period is equal to that of the fsw frequency of chopping. The switching function F10 is at a level 1 while the set voltage Vref is higher than the Car10 carrier.

Los controles de los dos interruptores T1 y T1' del par se obtienen a partir de la función F10 de conmutación. El control del interruptor T1 elemental es similar a la función F10 de conmutación con la diferencia de que el frente ascendente de las almenas se retarda en un tiempo muerto con relación al frente ascendente de las almenas de la función F10 de conmutación. Por el contrario, el frente descendente de las almenas para el control del interruptor T1 elemental se sincroniza con el de las almenas de la función F10 de conmutación. El control del interruptor T1' elemental es similar a la función complementaria de la función F10 con la diferencia de que el frente ascendente de las almenas se retarda en el tiempo muerto con relación al frente ascendente de las almenas de la función complementaria. Por el contrario, el frente descendente de las almenas para el control del interruptor T1' elemental se sincroniza con el de las almenas de la función complementaria de la función F10 de conmutación. Los dos interruptores T1, T1' elementales del par están en unos estados complementarios salvo por el valor del tiempo muerto.The controls of the two switches T1 and T1 'of the pair are obtained from the switching function F10. The control of the elementary switch T1 is similar to the switching function F10 with the difference that the rising front of the battlements is delayed in a dead time relative to the rising front of the battlements of the switching function F10. On the contrary, the falling front of the battlements for the control of the elementary switch T1 is synchronized with that of the battlements of the switching function F10. The control of the elementary switch T1 'is similar to the complementary function of function F10 with the difference that the rising front of the battlements is delayed in the dead time relative to the rising front of the battlements of the complementary function. On the contrary, the falling front of the battlements for the control of the elementary switch T1 'is synchronized with that of the battlements of the complementary function of the switching function F10. The two elementary switches T1, T1 'of the pair are in complementary states except for the value of the dead time.

La figura 5.9 es un cronograma de la función F20 de conmutación utilizada para el control del par de interruptores T2, T2' elementales de la estructura Ce10 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1. Es una señal en almena cuyo periodo es igual al de la frecuencia fsw de troceado. La función F20 de conmutación está a un nivel 1 mientras que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car20. Lo que se acaba de explicar para el control de los interruptores T1, T1' elementales y unos tiempos muertos se aplica para el control del par de interruptores T2, T2' elementales sobre la base de la señal en almena de la función F20 de conmutación. Los dos interruptores T2, T2' elementales del par están en unos estados complementarios salvo por el valor del tiempo muerto. Figure 5.9 is a schedule of the switching function F20 used for the control of the pair of elementary switches T2, T2 'of the four-voltage switching structure Ce10 of the first stage Et1. It is a battlement signal whose period is equal to that of the fsw frequency of chopping. The switching function F20 is at level 1 while the set voltage Vref is higher than the Car20 carrier. What has just been explained for the control of the elementary switches T1, T1 'and dead times is applied for the control of the pair of elementary switches T2, T2' on the basis of the flange signal of the switching function F20. The two elementary switches T2, T2 'of the pair are in complementary states except for the value of the dead time.

La figura 5.10 es un cronograma de la función F30 de conmutación utilizada para el control de los pares de interruptores (T3u, T3'u) y (T3l, T3'l) elementales de las células de conmutación de base de la estructura Ce10 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la primera etapa Et1. Es una señal en almena cuyo periodo es igual al de la frecuencia fsw de troceado. La función F30 de conmutación está a un nivel 1 mientras que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car30. Lo que se acaba de explicar para el control de los interruptores T1, T1' elementales y unos tiempos muertos se aplica para el control de los pares de interruptores (T3u, T3'u) y (T3l, T3'l) elementales sobre la base de la señal en almena de la función F30 de conmutación. Los dos interruptores (T3u, T3'u) y (T3l, T3'l) elementales de cada par están en unos estados complementarios salvo por el valor del tiempo muerto.Figure 5.10 is a schedule of the switching function F30 used for the control of the switch pairs (T3u, T3'u) and (T3l, T3'l) of the basic switching cells of the switching structure Ce10 four voltage levels of the first stage Et1. It is a battlement signal whose period is equal to that of the fsw frequency of chopping. The switching function F30 is at a level 1 while the set voltage Vref is higher than the Car30 carrier. What has just been explained for the control of the elementary switches T1, T1 'and dead times is applied for the control of the pairs of switches (T3u, T3'u) and (T3l, T3'l) elementary on the base of the beacon signal of the switching function F30. The two elementary switches (T3u, T3'u) and (T3l, T3'l) of each pair are in complementary states except for the value of the dead time.

La figura 5.11 es un cronograma de la función F40 de conmutación utilizada para el control de los pares de interruptores (T4u, T4'u) y (T4l, T4'l) elementales en posición mediana de las dos células de tipo de condensador flotante situadas en las estructuras Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2. Es una señal en almena cuyo periodo es igual al de la señal Vref de consigna. La función F40 de conmutación está a un nivel 1 mientras que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car40. Lo que se acaba de explicar para el control de los interruptores T1, T1' elementales y unos tiempos muertos se aplica para el control de los pares de interruptores (T4u, T4'u) y (T4l, T4'l) elementales sobre la base de la señal en almena de la función F40 de conmutación. Los dos interruptores (T4u, T4'u) y (T4l, T4'l) elementales de cada par están en unos estados complementarios salvo por el valor del tiempo muerto.Figure 5.11 is a schedule of the switching function F40 used for the control of the pairs of switches (T4u, T4'u) and (T4l, T4'l) in the middle position of the two floating condenser type cells located in the structures Ce21, Ce22 switching four voltage levels of the second stage Et2. It is a battlement signal whose period is equal to that of the setpoint Vref signal. The switching function F40 is at a level 1 while the set voltage Vref is higher than the Car40 carrier. What has just been explained for the control of the elementary switches T1, T1 'and dead times is applied for the control of the pairs of switches (T4u, T4'u) and (T4l, T4'l) elementary on the base of the beacon signal of the switching function F40. The two elementary switches (T4u, T4'u) and (T4l, T4'l) of each pair are in complementary states except for the time-out value.

La figura 5.12 es un cronograma de la función F50 de conmutación utilizada para el control de los pares de interruptores (T5u, T5'u) y (T5l, T5'l) elementales en posición extrema de las dos células de tipo de condensador flotante situadas en las estructuras Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2. Es una señal en almena cuyo periodo es igual al de la señal Vref de consigna. La función F50 de conmutación está a un nivel 1 mientras que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car50. Lo que se acaba de explicar para el control de los interruptores T1, T1' elementales y unos tiempos muertos se aplica para el control de los pares de interruptores (T5u, T5'u) y (T5l, T5'l) elementales sobre la base de la señal en almena de la función F50 de conmutación. Los dos interruptores (T5u, T5'u) y (T5l, T5'l) elementales de cada par están en unos estados complementarios salvo por el valor del tiempo muerto.Figure 5.12 is a schedule of the switching function F50 used for the control of the pairs of switches (T5u, T5'u) and (T5l, T5'l) in the extreme position of the two floating capacitor type cells located in the structures Ce21, Ce22 switching four voltage levels of the second stage Et2. It is a battlement signal whose period is equal to that of the setpoint Vref signal. The switching function F50 is at level 1 while the set voltage Vref is higher than the Car50 carrier. What has just been explained for the control of the elementary switches T1, T1 'and dead times is applied for the control of the pairs of switches (T5u, T5'u) and (T5l, T5'l) elementary on the base of the beacon signal of the switching function F50. The two elementary switches (T5u, T5'u) and (T5l, T5'l) of each pair are in complementary states except for the value of the dead time.

La figura 5.13 es un cronograma de la función F60 de conmutación utilizada para el control de los pares de interruptores (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) y (T6l, T6'l), (T7l, T7'l) elementales de las células de conmutación de base de las estructuras Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2. Es una señal en almena cuyo periodo es igual al de la señal Vref de consigna. La función F60 de conmutación está a un nivel 1 mientras que la tensión Vref de consigna sea superior a la portadora Car60. Lo que se acaba de explicar para el control de los interruptores T1, T1' elementales y unos tiempos muertos se aplica para el control de los pares de interruptores (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) y (T6l, T6'l), (T7l, T7'l) elementales sobre la base de la señal en almena de la función F60 de conmutación. Los dos interruptores (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) y (T6l, T6'l), (T7l, T7'l) elementales de cada par están en unos estados complementarios salvo por el valor del tiempo muerto.Figure 5.13 is a schedule of the switching function F60 used to control the switch pairs (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) and (T6l, T6'l), (T7l, T7 ' l) elementary of the base switching cells of the Ce21, Ce22 switching structures of four voltage levels of the second stage Et2. It is a battlement signal whose period is equal to that of the setpoint Vref signal. The switching function F60 is at a level 1 while the set voltage Vref is higher than the Car60 carrier. What has just been explained for the control of the switches T1, T1 'elementary and dead times is applied for the control of the pairs of switches (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) and (T6l, T6'l), (T7l, T7'l) elementary based on the battlement signal of the switching function F60. The two switches (T6u, T6'u), (T7u, T7'u) and (T6l, T6'l), (T7l, T7'l) of each pair are in complementary states except for the dead time value .

Se ha representado en la figura 5.14 un cronograma de la tensión Vs de salida del brazo de convertidor ilustrado en la figura 3A en el que son bien visibles siete niveles de tensión: 0 V, 1000 V, 2000 V, 3000 V, 4000 V, 5000 V, 6000 V. La tensión varía en escalones, de 1000 V en el ejemplo descrito.A schedule of the output voltage Vs of the converter arm illustrated in Figure 3A is shown in Figure 5.14 in which seven voltage levels are clearly visible: 0 V, 1000 V, 2000 V, 3000 V, 4000 V, 5000 V, 6000 V. The voltage varies in steps, from 1000 V in the example described.

No se describirá más en detalle el brazo del convertidor de la figura 3B. Tiene la misma estructura que el de la figura 3A con la excepción del hecho de que el nodo S que correspondería a la salida en la figura 3A se llama ahora nodo E puesto que corresponde ahora a la entrada. Está destinado a ser conectado a una fuente de corriente alterna (no representada). Igualmente los bornes de entrada E+, E- en la figura 3A, en cuyo nivel la fuente de tensión VCC se ha de conectar se llaman ahora S+ y S- en la figura 3B, corresponden a la salida del convertidor y están destinados a alimentar una fuente de tensión continua (no representada). En funcionamiento como rectificador, circula una corriente IE del nodo E hacia los bornes de salida S+ y S- mientras que en funcionamiento como ondulador circularían unas corrientes IE+ e IE- desde los bornes E+, E- hacia el nodo S. En funcionamiento como rectificador aparecerían unas corrientes IS+ e IS- en los bornes S+ y S-, son unas corrientes de salida y en funcionamiento ondulador la corriente de salida llamada Is aparecería en el nodo S.The converter arm of Figure 3B will not be described in more detail. It has the same structure as that of Figure 3A with the exception that the node S that would correspond to the output in Figure 3A is now called node E since it now corresponds to the input. It is intended to be connected to an alternating current source (not shown). Likewise, the input terminals E +, E- in figure 3A, at which level the voltage source VCC is to be connected are now called S + and S- in figure 3B, correspond to the output of the converter and are intended to supply a DC voltage source (not shown). In operation as a rectifier, an IE current flows from node E to the output terminals S + and S- while in operation as an inverter, IE + and IE- currents would circulate from terminals E +, E- to node S. In operation as a rectifier IS + and IS- currents would appear on terminals S + and S-, they are output currents and in undulating operation the output current called Is would appear on node S.

Pueden utilizarse varios tipos de controles para hacer conductores o bloquear los interruptores elementales y por tanto asegurar la conversión. Puede utilizarse un control tradicional basado en la modulación del ancho de impulsos PWM. Por supuesto, se controlan de la misma manera los interruptores elementales homólogos de las dos estructuras Ce21, Ce22 de conmutación de cuatro niveles de tensión de la segunda etapa Et2.Various types of controls can be used to make conductors or block elementary switches and thus ensure conversion. A traditional control based on PWM pulse width modulation can be used. Of course, homologous elementary switches of the two Ce21, Ce22 switching structures of four voltage levels of the second stage Et2 are controlled in the same manner.

En las figuras 3A, 3B, se ha representado una única fuente de tensión VCC continua. Se sobreentiende que esta fuente de tensión VCC continua podría estar constituida por varias fuentes de tensión continua elementales independientes, montada cada una en los bornes de al menos un dispositivo C1 a C6 de almacenamiento de energía. Estas fuentes de tensión continua podrían ser rectificadores. Esta configuración es interesante en un sistema de conversión no reversible con un transformador de varios arrollamientos.In Figures 3A, 3B, a single source of continuous VCC voltage is shown. It is understood that this continuous VCC voltage source could consist of several independent elementary continuous voltage sources, each mounted on the terminals of at least one C1 to C6 energy storage device. These DC sources could be rectifiers. This configuration is interesting in a non-reversible conversion system with a multi-winding transformer.

Con referencia a la figura 6, se ha representado un variador de velocidad que incluye en cascada un convertidor 1 objeto de la invención funcionando como rectificador CA/CC y un convertidor 2 objeto de la invención funcionando como ondulador CC/CA colocando entre los dos, del lado de continua, una fuente 3 de tensión tal como un dispositivo de almacenamiento de energía. El rectificador 1 está destinado a conectarse en la entrada a una red Re de alimentación eléctrica alterna asimilable a una fuente de corriente. El ondulador 2 está destinado a conectarse en la salida a un dispositivo de usuario asimilable a una fuente de corriente tal como un motor Mo de corriente alterna. La figura 6, ilustra un ejemplo en el que los dos convertidores 1 y 2 son trifásicos. Incluirían cada uno tres brazos tales como los representados en las figuras 3A, 3B.With reference to figure 6, a speed variator is shown which cascades a converter 1 object of the invention operating as an AC / DC rectifier and a converter 2 object of the invention operating as a DC / AC inverter by placing between the two, on the continuous side, a voltage source 3 such as an energy storage device. The rectifier 1 is intended to be connected at the input to an alternating power network Re assimilable to a current source. The inverter 2 is intended to be connected at the output to a user device assimilable to a current source such as an alternating current motor Mo. Figure 6 illustrates an example in which the two converters 1 and 2 are three-phase. Each would include three arms such as those depicted in Figures 3A, 3B.

El convertidor multinivel objeto de la invención es mucho más compacto y ligero que los convertidores de la técnica anterior con transformador. Es mucho más fácil de instalar y de transportar. Puede utilizarse con o sin transformador de aislamiento.The multilevel converter object of the invention is much more compact and lighter than the prior art converters with transformer. It is much easier to install and transport. Can be used with or without isolation transformer.

Permite minimizar la contaminación armónica de la red eléctrica y la corrección del factor de potencia cuando se utiliza un rectificador activo regenerativo. El convertidor objeto de la invención es compatible con la red alterna hasta 13,8 kV dada la tensión soportada por los componentes semiconductores existentes hoy en día, ya sea funcionando como ondulador o como rectificador. Debido a esto, no es obligatorio utilizar un transformador de adaptación del nivel de tensión, solución clásicamente utilizada.It allows to minimize the harmonic contamination of the power grid and the correction of the power factor when using an active regenerative rectifier. The converter object of the invention is compatible with the alternating network up to 13.8 kV given the voltage supported by the existing semiconductor components today, either operating as an inverter or as a rectifier. Due to this, it is not mandatory to use a voltage level adaptation transformer, a solution that is classically used.

El convertidor CC/CA objeto de la invención puede utilizarse para alimentar unos parques de motores asíncronos o síncronos tanto si son nuevos como existentes.The DC / AC converter object of the invention can be used to power asynchronous or synchronous motor parks, whether new or existing.

El convertidor objeto de la invención tiene una estructura modular gracias al empleo de las estructuras de conmutación de cuatro niveles de tensión como las de la figura 2. De donde resulta que los gastos de mantenimiento son reducidos y la fiabilidad es buena.The converter object of the invention has a modular structure thanks to the use of the four voltage level switching structures such as those in Figure 2. From which it turns out that the maintenance costs are reduced and the reliability is good.

La forma de onda de alimentación de la carga es de buena calidad y las sobretensiones del lado de la fuente de corriente están limitadas y no están vinculadas más que a los cables de los enlaces.The load waveform of the load is of good quality and the surges on the side of the current source are limited and are linked only to the cables of the links.

El bus de continua común puede servir para alimentar varios convertidores objeto de la invención.The common DC bus can be used to power several converters object of the invention.

Documentos citadosDocuments cited

[1] “A novel hybrid-clamped four-level converters”, Kui Wang et al, Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, 5-9 feb. 2012, páginas 2442-2447.[1] “A novel hybrid-clamped four-level converters,” Kui Wang et al, Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE, 5-9 Feb. 2012, pages 2442-2447.

[2] “Voltage balancing control of a four-level hybrid-clamped inverter using modified phase-shifted PWM” Kui Wang et al, Power Electronics and Applications (EPE), 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications, 2-6 sept. 2013, páginas 1-10. [2] “Voltage balancing control of a four-level hybrid-clamped inverter using modified phase-shifted PWM” Kui Wang et al, Power Electronics and Applications (EPE), 2013 15th European Conference on Power Electronics and Applications, 2-6 sept . 2013, pages 1-10.

Claims (10)

REIVINDICACIONES 1. Convertidor multinivel que incluye al menos un brazo (B) formado por varias etapas (Et1, Et2,...., Etn) de rango uno a n (n entero superior a uno) montadas en cascada, estando destinada la etapa (Et1) de rango 1 a conectarse a una fuente de corriente (I) y estando destinada la etapa (Etn) de rango n a conectarse a una fuente de tensión (VCC), caracterizado porque la etapa (Et1) de rango uno incluye una única estructura (Ce10) de conmutación de cuatro niveles de tensión y una etapa de rango i (i comprendido entre dos y n) incluye i estructuras (Cei1, Cei2, ...Ceii) de conmutación de cuatro niveles de tensión idénticas montadas en serie, incluyendo cada una de estas estructuras de conmutación una célula (T1, T2, T1', T2', C12) de tipo de condensador flotante de tres niveles de tensión que comprende un cuarteto de interruptores (T1, T2, T1', T2') elementales en serie que poseen un nodo (S) medio, dos células (T3u, T3'u ;T3l, T3'l) de base formadas cada una por un par de interruptores (T3u, T3'u ;T3l, T3'l) elementales en serie presentan dos bornes (N6, N7 ; N8, N9) extremos y un punto medio y un puente (C9, C10, C11) divisor capacitivo que tiene dos extremos formado por un triplete de dispositivos (C9, C10, C11) de almacenamiento de energía montados en serie entre los que los dos dispositivos (C9, C11) de almacenamiento de energía están en posición extrema, conectándose cada dispositivo (C9, C11) de almacenamiento de energía en posición extrema a los bornes (N6, N9) extremos de una célula de conmutación de base diferente, conectándose un punto medio de cada célula de conmutación de base a un extremo diferente del cuarteto de interruptores (T1, T2, T1', T2') elementales, conectándose el nodo medio de cada célula de tipo de condensador flotante de la etapa de rango i a un extremo del puente divisor capacitivo de una estructura de conmutación de cuatro niveles de tensión de la etapa de rango i-1.1. Multilevel converter that includes at least one arm (B) formed by several stages (Et1, Et2, ...., Etn) of range one an (n integer greater than one) mounted in cascade, the stage (Et1) being destined ) of rank 1 to be connected to a current source (I) and the stage (Etn) of rank na being destined to be connected to a voltage source (VCC), characterized in that the stage (Et1) of rank one includes a single structure ( Ce10) switching of four voltage levels and a stage of range i (i between two and n) includes i structures (Cei1, Cei2, ... Ceii) switching of four identical voltage levels mounted in series, including each of these switching structures a cell (T1, T2, T1 ', T2', C12) of three voltage level floating capacitor type comprising a quartet of switches (T1, T2, T1 ', T2') elementary in series which have a middle node (S), two base cells (T3u, T3'u; T3l, T3'l) each formed by a pair of interru ptores (T3u, T3'u; T3l, T3'l) in elementary series have two terminals (N6, N7; N8, N9) ends and a midpoint and a bridge (C9, C10, C11) capacitive divider that has two ends formed by a triplet of energy storage devices (C9, C10, C11) mounted in series between which the two energy storage devices (C9, C11) are in an extreme position, each energy storage device (C9, C11) being connected in an extreme position to the terminal (N6, N9) ends of a different base switching cell, connecting a midpoint of each base switching cell at a different end of the switch quartet (T1, T2, T1 ', T2'), the middle node of each floating capacitor type cell of the range stage ia being connected to one end of the capacitive divider bridge of a four voltage level switching structure of the range stage i-1. 2. Convertidor multinivel según la reivindicación 1, en el que los dispositivos (C9, C10, C11) de un mismo puente divisor capacitivo tienen una misma capacidad de almacenamiento de energía y una misma tensión soportada. 2. Multilevel converter according to claim 1, wherein the devices (C9, C10, C11) of the same capacitive divider bridge have the same energy storage capacity and the same supported voltage. 3. Convertidor multinivel según una de las reivindicaciones 1 o 2, en el que el nodo medio de al menos una célula de tipo de condensador flotante de la etapa de rango i se conecta a un extremo del puente divisor capacitivo de la etapa de rango i-1 a través de una inductancia (Laux21, Laux22).3. Multilevel converter according to one of claims 1 or 2, wherein the middle node of at least one floating capacitor type cell of the range stage i is connected to one end of the capacitive divider bridge of the range stage i -1 through an inductance (Laux21, Laux22). 4. Convertidor multinivel según la reivindicación 3, en el que cuando varias inductancias conectan la etapa de rango i a la etapa de rango i-1, estas inductancias tienen un mismo valor.4. Multilevel converter according to claim 3, wherein when several inductances connect the stage of rank i to the stage of range i-1, these inductances have the same value. 5. Convertidor multinivel según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que los dos pares de interruptores (T3u, T3'u; T3l, T3'l) elementales de las dos células de conmutación de base de una misma etapa poseen una misma función de conmutación.5. Multilevel converter according to one of claims 1 to 4, wherein the two pairs of switches (T3u, T3'u; T3l, T3'l) of the two basic switching cells of the same stage have the same switching function 6. Convertidor multinivel según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que en funcionamiento, los interruptores elementales de un mismo par están en estados complementarios salvo por un valor del tiempo muerto.6. Multilevel converter according to one of claims 1 to 5, wherein in operation, the elementary switches of the same pair are in complementary states except for a time-out value. 7. Convertidor multinivel según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que en el cuarteto de interruptores (T1, T2, T1', T2') elementales de una célula de tipo de condensador flotante dos están en posición extrema y dos están en posición mediana, los dos interruptores (T2, T2') elementales en posición extrema están siempre en estados complementarios y los dos interruptores (T1, T1') elementales en posición mediana están siempre en estados complementarios, siendo uno conductor y estando el otro bloqueado.7. Multilevel converter according to one of claims 1 to 6, wherein in the quartet of switches (T1, T2, T1 ', T2') elementary of a floating capacitor type cell two are in extreme position and two are in medium position, the two elementary switches (T2, T2 ') in the extreme position are always in complementary states and the two elementary switches (T1, T1') in the middle position are always in complementary states, being one conductor and the other being locked. 8. Convertidor multinivel según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que los interruptores (T1, T2, T1', T2') elementales incluyen cada uno un conmutador electrónico de potencia controlable con un diodo conectado en anti­ paralelo.8. Multilevel converter according to one of claims 1 to 7, wherein the elementary switches (T1, T2, T1 ', T2') each include a controllable power electronic switch with a diode connected in anti-parallel. 9. Convertidor multinivel según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que los dispositivos (C1-C12) de almacenamiento de energía se eligen entre un condensador, una batería, una pila de combustible.9. Multilevel converter according to one of claims 1 to 8, wherein the energy storage devices (C1-C12) are chosen from a capacitor, a battery, a fuel cell. 10. Variador de velocidad que incluye una cascada con un convertidor (1) según una de las reivindicaciones anteriores funcionando como rectificador CA/CC y un convertidor (2) según una de las reivindicaciones anteriores funcionando como ondulador CC/CA, conectados entre sí por sus lados de continua por medio de una fuente (3) de tensión. 10. Speed variator that includes a cascade with a converter (1) according to one of the preceding claims operating as an AC / DC rectifier and a converter (2) according to one of the preceding claims operating as a DC / AC inverter, connected to each other by its sides continue through a voltage source (3).
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